SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，其包括2N個(gè)硅IGBT低壓模塊單元、6個(gè)SiC高壓開(kāi)關(guān)和8個(gè)橋臂電感?；旌鲜饺嗨木€高壓變換器a、b、c三相的結(jié)構(gòu)相同，上橋臂由1個(gè)高壓開(kāi)關(guān)與橋臂電感串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由橋臂電感與1個(gè)高壓開(kāi)關(guān)串聯(lián)構(gòu)成，然后上下橋臂串聯(lián)，上下橋臂電感的連接點(diǎn)構(gòu)成對(duì)應(yīng)相橋臂的交流輸出端；o相的上橋臂由N個(gè)低壓模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由橋臂電感與N個(gè)低壓模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后上下橋臂串聯(lián)，上下橋臂電感的連接點(diǎn)構(gòu)成中線端。交流輸出端接至三相星形聯(lián)接方式的負(fù)載，中線端接至負(fù)載中點(diǎn)，通過(guò)控制中線端的輸出，負(fù)載電壓將呈現(xiàn)正弦多電平，減少了諧波。
【專利說(shuō)明】SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子變換器或高電壓應(yīng)用領(lǐng)域，涉及SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器拓?fù)涞臉?gòu)造。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]實(shí)現(xiàn)高壓大功率變換器的關(guān)鍵技術(shù)之一是大功率變換器拓?fù)洌鼛资陙?lái)國(guó)際上對(duì)高壓大容量變換器進(jìn)行了深入的研究，提出了眾多有意義的髙壓大容量拓?fù)?。模塊組合多電平變換器既MMC變換器是目前高壓電能變換首選的變換器，其優(yōu)點(diǎn)是各相橋臂根據(jù)電壓等級(jí)，由多個(gè)相同的模塊化功率單元和兩個(gè)橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了高度模塊化，在器件電流應(yīng)力、不平衡運(yùn)行、故障保護(hù)等方面比一般多電平技術(shù)具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，MMC變換器需要用到的模塊單元比較多，控制比較復(fù)雜。
[0004]近年來(lái)研制成功的SiC功率開(kāi)關(guān)器件因具有高壓(達(dá)數(shù)萬(wàn)伏)、高溫(大于500°C)等特性，突破了硅基功率半導(dǎo)體器件電壓(數(shù)千伏)和溫度(小于150°C)的局限性，將成為高壓、大容量工業(yè)應(yīng)用的主要器件。然而，SiC功率開(kāi)關(guān)器件的價(jià)格較高，全部采用將影響高壓變換器的性價(jià)比，為此本發(fā)明提出一種SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，它既可以降低高壓變換器成本，又可以利用硅IGBT構(gòu)成的電路實(shí)現(xiàn)多電平控制。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，與現(xiàn)有以硅IGBT為主的MMC變換器比較，一是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了元器件，降低了電路的復(fù)雜性；二是控制簡(jiǎn)單，只需要控制中線相就能實(shí)現(xiàn)多電平電壓輸出，諧波小，在高壓工業(yè)應(yīng)用中有廣闊的前景。本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0007]SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，其包括2N個(gè)硅IGBT低壓模塊單元、6個(gè)SiC高壓功率開(kāi)關(guān)器件和8個(gè)橋臂電感。其中a、b、c三相的上橋臂均由I個(gè)高壓功率開(kāi)關(guān)器件與橋臂電感串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂均由橋臂電感與I個(gè)高壓功率開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成，然后上下橋臂串聯(lián)；o相的上橋臂由N個(gè)低壓模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由橋臂電感與N個(gè)低壓模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后上下橋臂串聯(lián)；上下橋臂電感的連接點(diǎn)構(gòu)成對(duì)應(yīng)相橋臂的交流輸出端及中線，N為正整數(shù)。
[0008]進(jìn)一步地，所述低壓模塊單元由2個(gè)帶續(xù)流二極管的硅IGBT，即第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管，和I個(gè)直流電容構(gòu)成。第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管的兩端均與續(xù)流二極管連接，第一開(kāi)關(guān)管的正極和直流電容的正極相連接；第一開(kāi)關(guān)管的負(fù)極和第二開(kāi)關(guān)管的正極連接，連接點(diǎn)為O1端；第二開(kāi)關(guān)管的負(fù)極與直流電容Ce的負(fù)極連接,連接點(diǎn)為O2端；直流電容上的電壓E=V/2N，V為輸入直流電源的電壓值。
[0009]進(jìn)一步地，所述低壓模塊單元有4種工作狀態(tài)，第一種狀態(tài)是輸出電壓為E，電流為第一開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通方向；第二種狀態(tài)是輸出電壓為E,電流為第一開(kāi)關(guān)管的續(xù)流二極管的導(dǎo)通方向；第三種狀態(tài)是輸出電壓為O，電流為第二開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通方向；第四種狀態(tài)是輸出電壓為O，電流為第二開(kāi)關(guān)管的續(xù)流二極管的導(dǎo)通方向。
[0010]進(jìn)一步地，所述的高壓功率開(kāi)關(guān)器件采用帶續(xù)流二極管的SiC功率開(kāi)關(guān)器件。
[0011]進(jìn)一步地，混合式三相四線高壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，a、b、c三相結(jié)構(gòu)相同，每相的上橋臂由一個(gè)高壓功率開(kāi)關(guān)器件與一個(gè)橋臂電感串聯(lián)構(gòu)成，即高壓功率開(kāi)關(guān)的正極與電源的正極相連接，負(fù)極與橋臂電感相連接；每相的下橋臂由另一個(gè)橋臂電感與另一個(gè)高壓功率開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成，即高壓功率開(kāi)關(guān)的正極與另一個(gè)橋臂電感相連接，負(fù)極與電源的負(fù)極相連接；然后上下橋臂串聯(lián)，上下橋臂電感的連接點(diǎn)，即a、b、c點(diǎn)構(gòu)成對(duì)應(yīng)相橋臂的交流輸出端，接至三相星形聯(lián)接方式的負(fù)載。
[0012]進(jìn)一步地，混合式三相四線高壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，O相的上橋臂由N個(gè)低壓模塊單元與一個(gè)橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，第一個(gè)低壓模塊單元的O1端即U1與電源的正極相連接，第一個(gè)低壓模塊單元的O2端與第二個(gè)低壓模塊單元的O1端即U2相連接，依此連接規(guī)律，第i個(gè)低壓模塊單元的O1端即Ui連接到第1-Ι個(gè)低壓模塊單元的O2端，第i個(gè)低壓模塊單元的O2端連接到第i+Ι個(gè)低壓模塊單元的O1端即Ui+1，N個(gè)低壓模塊單元連接后，第N個(gè)低壓模塊單元的O2端與一個(gè)橋臂電感連接；o相的下橋臂由另一個(gè)橋臂電感與N個(gè)低壓模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，即橋臂電感與第N+1個(gè)低壓模塊單元的O1端即Unh相連接，第N+1個(gè)低壓模塊單元的O2端與第N+2個(gè)低壓模塊單元的O1端即UN+2相連接，依此連接規(guī)律，下橋臂的N個(gè)低壓模塊單元連接后，第2N個(gè)低壓模塊單元的O2端連接到電源的負(fù)極。然后上下橋臂串聯(lián)，上下橋臂電感的連接點(diǎn)即ο點(diǎn)構(gòu)成中線端，中線端接至負(fù)載中點(diǎn)。
[0013]進(jìn)一步地，通過(guò)控制O相橋臂的電平輸出，得到混合式三相四線高壓變換器的交流輸出電壓為正弦多電平。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果:
本發(fā)明在MMC變換器基礎(chǔ)上，提出一種SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，其中a、b、c三相采用SiC高壓功率開(kāi)關(guān)器件，減少高壓變換器的器件數(shù)量，ο相則采用由硅IGBT構(gòu)成的低壓模塊電路，以實(shí)現(xiàn)多電平控制。與現(xiàn)有以硅IGBT為主的MMC變換器比較，一是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了元器件，降低了電路的復(fù)雜性；二是控制簡(jiǎn)單，只需要控制中線相就能實(shí)現(xiàn)多電平電壓輸出，諧波小，在高壓工業(yè)應(yīng)用中有廣闊的前景。
[0015]
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明的SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器主電路圖。
[0017]圖2是本發(fā)明的低壓模塊單元結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖3a?圖3d分別是低壓模塊單元的四種工作狀態(tài)示意圖。
[0019]圖4是具有2N=4個(gè)低壓模塊單元的SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖5是具有2N=4個(gè)低壓模塊單元的SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器的3電平輸出波形。
[0021]圖6是具有2N=4個(gè)低壓模塊單元的SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器的4電平輸出波形。
[0022]
具體實(shí)施方案
[0023]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述。
[0024]圖1所示的是本發(fā)明的主電路，混合式三相四線高壓變換器的構(gòu)成方式如下:
1、a、b、c三相結(jié)構(gòu)相同，每相的上橋臂由一個(gè)高壓功率開(kāi)關(guān)器件與一個(gè)橋臂電感串聯(lián)構(gòu)成，既高壓功率開(kāi)關(guān)的正極與電源V的正極相連接，負(fù)極與橋臂電感相連接；每相的下橋臂由另一個(gè)橋臂電感與另一個(gè)高壓功率開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成，既高壓功率開(kāi)關(guān)的正極與橋臂電感相連接，負(fù)極與電源V的負(fù)極相連接；圖2所示的是本發(fā)明的低壓模塊單元結(jié)構(gòu)，低壓模塊單元由2個(gè)帶續(xù)流二極管的硅IGBT功率開(kāi)關(guān)器件，即第一開(kāi)關(guān)管T1和第二開(kāi)關(guān)管T2,及I個(gè)直流電容構(gòu)成。第一開(kāi)關(guān)管T1的正極和直流電容Ce的正極相連接；第一開(kāi)關(guān)管T1的負(fù)極和第二開(kāi)關(guān)管T2的正極連接，連接點(diǎn)為O1端；第二開(kāi)關(guān)管T2的負(fù)極與直流電容Ce的負(fù)極連接，連接點(diǎn)為O2端；直流電容Ce上的電壓E=V/2N，V為輸入直流電源的電壓值。
[0025]2、ο相的上橋臂由N個(gè)低壓模塊單元與一個(gè)橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，第一個(gè)低壓模塊單元乂的O1端即U1與電源V的正極相連接，第一個(gè)低壓模塊單元M1的O2端與第二個(gè)低壓模塊單元M2的O1端即U2相連接，依此連接規(guī)律，第i個(gè)低壓模塊單元Mi的O1端即Ui連接到第i_l個(gè)低壓模塊單元Mg的O2端，第i個(gè)低壓模塊單元Mi的O2端連接到第i+Ι個(gè)低壓模塊單元Mi+1的O1端即Ui+1，N個(gè)低壓模塊單元連接后，第N個(gè)低壓模塊單元Mn的O2端與一個(gè)橋臂電感連接；下橋臂由另一個(gè)橋臂電感與N個(gè)低壓模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，即橋臂電感與第N+1個(gè)低壓模塊單元Mn+1的O1端即Unh相連接，第N+1個(gè)低壓模塊單元Mn+1的O2端與第N+2個(gè)低壓模塊單元Mn+2的O1端即UN+2相連接，依此連接規(guī)律，下橋臂的N個(gè)低壓模塊單元連接后，第2N個(gè)低壓模塊單元M2n的O2端連接到電源V的負(fù)極。
[0026]3、將a、b、C、ο四相的上下橋臂在橋臂電感的連接點(diǎn)，既a、b、C、ο點(diǎn)處聯(lián)接，a、b、c三點(diǎn)與三相星形負(fù)載聯(lián)接，ο點(diǎn)與負(fù)載中點(diǎn)聯(lián)接。
[0027]按照?qǐng)D1的低壓模塊單元結(jié)構(gòu)，低壓模塊單元共有4種工作狀態(tài)。其中圖3a是第一種工作狀態(tài)，既第一開(kāi)關(guān)管T1導(dǎo)通，模塊輸出電壓U0「U02=E ；圖3b是第二種工作狀態(tài)，既第一開(kāi)關(guān)管的續(xù)流二極管D1導(dǎo)通，模塊輸出電壓Utjl-Ut52=E ;圖3c是第三種工作狀態(tài)，既第二開(kāi)關(guān)管T2導(dǎo)通。模塊輸出電壓Uo「Uo2=0 ;圖3d是第四種工作狀態(tài)，既第二開(kāi)關(guān)管的續(xù)流二極管D2導(dǎo)通，模塊輸出電壓Utjl-Utj2=O15
[0028]圖4是一個(gè)具有2N=4個(gè)低壓模塊單元的SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，包括4個(gè)硅IGBT低壓模塊單元M廣M4,6個(gè)SiC高壓功率開(kāi)關(guān)器件S1X6和8個(gè)電感值相同的橋臂電感Z。采用多電平調(diào)制策略調(diào)節(jié)中線相電壓V。，可實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載電壓Va()、Vb。、V。。多電平輸出，其中三電平和四電平的輸出波形分別見(jiàn)圖5和圖6。
【權(quán)利要求】
1.SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，其特征在于包括2N個(gè)硅IGBT低壓模塊單元、6個(gè)SiC高壓開(kāi)關(guān)和8個(gè)橋臂電感；混合式三相四線橋臂高壓變換器中a、b、c三相的上橋臂均由I個(gè)高壓開(kāi)關(guān)與橋臂電感串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂均由橋臂電感與I個(gè)高壓開(kāi)關(guān)串聯(lián)構(gòu)成，然后上下橋臂串聯(lián)；混合式三相四線橋臂高壓變換器中ο相的上橋臂由N個(gè)低壓模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由橋臂電感與N個(gè)低壓模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后上下橋臂串聯(lián)；上下橋臂電感的連接點(diǎn)構(gòu)成對(duì)應(yīng)相橋臂的交流輸出端及中線，N為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，其特征在于，所述低壓模塊單元由2個(gè)帶續(xù)流二極管的硅IGBT和I個(gè)直流電容構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，其特征在于，所述低壓模塊單元包括第一開(kāi)關(guān)管(T1)和第二開(kāi)關(guān)管(T2),第一開(kāi)關(guān)管(T1)和第二開(kāi)關(guān)管(T2)的兩端均與續(xù)流二極管連接，分別為第一續(xù)流二極管(D1)和第二續(xù)流二極管(D2);第一開(kāi)關(guān)管(T1)的正極和直流電容(Ce)的正極連接；第一開(kāi)關(guān)管(T1)的負(fù)極和第二開(kāi)關(guān)管(T2)的正極連接，連接點(diǎn)為O1端；第二開(kāi)關(guān)管(T2)的負(fù)極與直流電容(Ce)的負(fù)極連接，連接點(diǎn)為O2端；直流電容(Ce)上的電壓E=V/2N，V為輸入直流電源的電壓值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，其特征在于，所述低壓模塊單兀有4種工作狀態(tài),第一種狀態(tài)是輸出電壓為E,電流為第一開(kāi)關(guān)管(T1)的導(dǎo)通方向；第二種狀態(tài)是輸出電壓為E，電流為第一開(kāi)關(guān)管(T1)的續(xù)流二極管(D1MA導(dǎo)通方向；第三種狀態(tài)是輸出電壓為0，電流為第二開(kāi)關(guān)管(T2)的導(dǎo)通方向；第四種狀態(tài)是輸出電壓為0，電流為第二開(kāi)關(guān)管(T2)的續(xù)流二極管(D2)的導(dǎo)通方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，其特征在于，所述的高壓開(kāi)關(guān)采 用帶續(xù)流二極管的SiC功率開(kāi)關(guān)器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，其特征在于，混合式三相四線高壓變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，a、b、c三相結(jié)構(gòu)相同，每相的上橋臂由一個(gè)高壓功率開(kāi)關(guān)器件與一個(gè)橋臂電感串聯(lián)構(gòu)成，即高壓功率開(kāi)關(guān)的正極與電源(V)的正極相連接，負(fù)極與橋臂電感相連接；每相的下橋臂由另一個(gè)橋臂電感與另一個(gè)高壓功率開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成，即高壓功率開(kāi)關(guān)的正極與橋臂電感相連接，負(fù)極與電源(V)的負(fù)極相連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，其特征在于，混合式三相四線高壓變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，ο相的上橋臂由N個(gè)低壓模塊單元與一個(gè)橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，第一個(gè)低壓模塊單元(M1)的O1端即U1與電源(V)的正極相連接，第一個(gè)低壓模塊單元(M1)的O2端與第二個(gè)低壓模塊單元(M2)的O1端即U2相連接，依此連接規(guī)律，第i個(gè)低壓模塊單元(Mi)的O1端即Ui連接到第1-Ι個(gè)低壓模塊單元(Md的O2端，第i個(gè)低壓模塊單元(Mi)的O2端連接到第i+Ι個(gè)低壓模塊單元(Mi+1)的O1端即Ui+1，N個(gè)低壓模塊單元連接后，第N個(gè)低壓模塊單元(Mn)的02端與一個(gè)橋臂電感連接；下橋臂由另一個(gè)橋臂電感與N個(gè)低壓模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，即橋臂電感與第N+1個(gè)低壓模塊單元(MN+1)的O1端即Unh相連接，第N+1個(gè)低壓模塊單元(MN+1)的O2端與第N+2個(gè)低壓模塊單元(MN+2)的O1端即UN+2相連接，依此連接規(guī)律，下橋臂的N個(gè)低壓模塊單元連接后，第2N個(gè)低壓模塊單元(M2n)的O2端連接到電源(V)的負(fù)極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SiC高壓開(kāi)關(guān)與硅IGBT混合式三相四線高壓變換器，其特征在于，通過(guò)控制O相橋臂的電平輸出，得到交流輸出電壓為正弦多電平。
【文檔編號(hào)】H02M1/12GK103825487SQ201410073322
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】張波, 丘東元 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)