一種基于SiC器件串聯(lián)的雙向DC/DC變換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種基于SiC器件串聯(lián)的雙向隔離DC/DC
變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著港口岸電電源、電力機(jī)車牽引系統(tǒng)、電能質(zhì)量治理、新能源發(fā)電、高壓柔性直流輸電等領(lǐng)域的發(fā)展，電力電子變壓器應(yīng)運(yùn)而生，而其核心組件雙向隔離DC/DC變換器的研究在電壓等級(jí)、功率等級(jí)和工作頻率等方面存在諸多限制，亟需取得突破。
[0003]傳統(tǒng)的雙向DC/DC變換器的器件一般采用Si材料的IGBT，但由于結(jié)構(gòu)因素影響，其開關(guān)損耗大，且隨電壓等級(jí)的升高，開關(guān)頻率很低，造成效率低、體積大。
[0004]為解決上述問題，一般采用軟開關(guān)技術(shù)，華北電力大學(xué)的發(fā)明專利201110140067.1 “一種的對(duì)稱半橋LLC諧振式雙向直流-直流變換器”，但因?yàn)镮GBT關(guān)斷時(shí)拖尾電流比較大，時(shí)間長(zhǎng)，所以其關(guān)斷損耗并不能完全消除。石家莊通和電子科技股份有限公司專利201410828951.8提出一種雙向隔離直流-直流變換器，變壓器原副邊都是全橋結(jié)構(gòu)，但是每個(gè)橋臂都是單只器件，耐壓等級(jí)沒有提升，且在高壓條件下開關(guān)頻率比較低。
[0005]SiC MOSFET模塊是新興器件，與Si材料的MOSFET相比，耐壓高、電流大，更適合于大功率場(chǎng)合;而與Si材料的IGBT模塊相比，開關(guān)速度快，開關(guān)損耗低，且其反并聯(lián)二極管為SiC的肖特基二極管，沒有反向恢復(fù)損耗，開關(guān)頻率可以更高，這樣后級(jí)傳輸電感和高頻變壓器體積可以大大減小，目前已經(jīng)商業(yè)化的SiC MOSFET模塊額定電壓可達(dá)1700V，額定電流300A，工作頻率可達(dá)幾十KHz甚至上百KHz。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于SiC器件串聯(lián)的雙向DC/DC變換器，該目的通過一種基于器件串聯(lián)的移相全橋電路實(shí)現(xiàn)。
[0007]具體地說，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:一種基于SiC器件串聯(lián)的高壓大功率雙向DC/DC變換器，包括輸入側(cè)濾波電容、逆變?nèi)珮?、傳輸電感、輸入?cè)隔直電容、變壓器、輸出測(cè)隔直電容、整流全橋和輸出濾波電容。其中直流輸入端經(jīng)輸入側(cè)濾波電容與逆變?nèi)珮虻妮斎雮?cè)相連，逆變?nèi)珮虻妮敵鰝?cè)一端經(jīng)傳輸電感和輸入側(cè)隔直電容與變壓器的原邊一端相連，變壓器的原邊另外一端與逆變?nèi)珮虻牧硪惠敵龆讼噙B。變壓器的副邊輸出端經(jīng)輸出測(cè)隔直電容與整流橋的輸入端相連，整流橋的輸出側(cè)與輸出側(cè)濾波電容相連。
[0008]所述輸入側(cè)濾波電容和輸出側(cè)濾波電容為薄膜電容，對(duì)輸入直流電壓其濾波作用。
[0009]所述逆變?nèi)珮驅(qū)⒅绷麟娮儞Q為交流電，其包括第一電子開關(guān)、第二電子開關(guān)、第三電子開關(guān)、第四電子開關(guān)，第一電子開關(guān)與第二電子開關(guān)串聯(lián)后并聯(lián)于輸入側(cè)濾波電容兩端，第三電子開關(guān)與第四電子開關(guān)串聯(lián)后并聯(lián)于輸入側(cè)濾波電容兩端。第一電子開關(guān)與第二電子開關(guān)的連接中點(diǎn)依次串聯(lián)傳輸電感L和輸入側(cè)隔直電容，與變壓器的原邊一端子相連接;第三電子開關(guān)與第四電子開關(guān)的連接中點(diǎn)與變壓器的原邊另一端子相連接。
[0010]所述傳輸電感起到短時(shí)儲(chǔ)存能量和傳輸能量的作用。
[0011]所述輸入側(cè)隔直電容和輸出側(cè)隔直電容起到隔離直流電信號(hào)的作用。
[0012]所述高頻變壓器將逆變?nèi)珮蜉敵龅母哳l交流電變換為整流橋輸入側(cè)的高頻交流電，起到變壓和隔離作用。
[0013]所述整流全橋?qū)⒏哳l變壓器輸出的交流電變換為直流電，其包括第五電子開關(guān)、第六電子開關(guān)、第七電子開關(guān)、第八電子開關(guān)，第五電子開關(guān)與第六電子開關(guān)串聯(lián)后并聯(lián)于輸出側(cè)濾波電容兩端，第七電子開關(guān)與第八電子開關(guān)串聯(lián)后并聯(lián)于輸出側(cè)濾波電容兩端。變壓器副邊一端子經(jīng)輸出測(cè)隔直電容與第七電子開關(guān)和第八電子開關(guān)的連接中點(diǎn)相連;變壓器的副邊另一端子與第五電子開關(guān)和第六電子開關(guān)的中點(diǎn)相連。
[0014]所述第一電子開關(guān)、第二電子開關(guān)、第三電子開關(guān)、第四電子開關(guān)、第五電子開關(guān)、第六電子開關(guān)、第七電子開關(guān)、第八電子開關(guān)均為2只或多只全控器件串聯(lián)組成，該全控器件為SiC MOSFET模塊。相互串聯(lián)的每個(gè)全控器件并聯(lián)有均壓電路，該均壓電路對(duì)串聯(lián)的全控器件起均壓作用，并能抑制電路中的電壓過沖，保護(hù)器件不被損壞。
[0015]所述均壓電路由靜態(tài)均壓電路和動(dòng)態(tài)均壓電路組成，靜態(tài)均壓電路由并聯(lián)于SiCMOSFET兩端的電阻組成，其阻值約為所并聯(lián)SiC MOSFET關(guān)斷時(shí)等效電阻阻值的1/10;動(dòng)態(tài)均壓電路為由電阻與二極管并聯(lián)后再與吸收電容串聯(lián)組成的RCD緩沖電路組成，并聯(lián)于靜態(tài)均壓電路的兩端。
[0016]本發(fā)明還包括用于控制上述高壓大功率雙向DC/DC變換器的控制系統(tǒng)，包括主控單元、信號(hào)發(fā)生單元、驅(qū)動(dòng)單元和采樣保護(hù)單元，其中:主控單元用于系統(tǒng)監(jiān)控、系統(tǒng)控制策略實(shí)現(xiàn)以及控制命令下發(fā);信號(hào)發(fā)生單元用于實(shí)現(xiàn)上層主控單元的控制要求，并實(shí)時(shí)的下發(fā)控制信號(hào)指令并監(jiān)控下層驅(qū)動(dòng)單元，同時(shí)將雙向DC/DC變換器的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)匯總報(bào)告給主控單元;驅(qū)動(dòng)單元用于接收信號(hào)發(fā)生單元下發(fā)的控制信號(hào)指令以及產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)波形實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向DC/DC變換器的各全控器件的驅(qū)動(dòng);采樣保護(hù)單元用于對(duì)雙向DC/DC變換器運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并將采樣信號(hào)通過信號(hào)發(fā)生單元上傳至主控單元。
[0017]本發(fā)明還包括用于控制上述高壓大功率雙向DC/DC變換器的控制方法，雙向DC/DC變換器中的整流全橋和逆變?nèi)珮蛎恳粯虮鄞?lián)的全控器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，可等效為一只全控器件，每上下兩橋臂的兩組全控器件均為180度互補(bǔ)導(dǎo)通，整流全橋和逆變?nèi)珮蛑兴行睂?duì)角兩組全控器件都同時(shí)開關(guān)，通過控制兩個(gè)全橋橋臂中點(diǎn)電壓之間的移向角，來控制功率傳輸?shù)姆较蚝痛笮　?br>[0018]需要指出的是，輸入側(cè)濾波電容和輸出側(cè)濾波電容、輸入側(cè)隔直電容和輸出側(cè)處側(cè)隔直電容是相對(duì)的，當(dāng)功率流向反向時(shí)，輸出側(cè)濾波電容變?yōu)檩斎雮?cè)濾波電容，輸入側(cè)濾波電容變?yōu)檩敵鰝?cè)濾波電容，同樣輸入側(cè)隔直電容變?yōu)檩敵鰝?cè)隔直電容，輸出側(cè)隔直電容變?yōu)檩斎雮?cè)隔直電容。所述逆變?nèi)珮蚝驼魅珮蛞彩窍鄬?duì)的，當(dāng)功率方向反向時(shí)，整流全橋變?yōu)槟孀內(nèi)珮颍孀內(nèi)珮蜃優(yōu)檎魅珮颉?br>[0019]本發(fā)明的有益效果如下:本發(fā)明的基于SiC器件串聯(lián)的雙向DC/DC變換器，采用SiC器件特別是SiC MOSFET模塊作為開關(guān)器件，其開關(guān)損耗小，開關(guān)頻率高，提高了整機(jī)的工作頻率，并相應(yīng)地使所采用的電感和變壓器體積大大減小，從而減小了整機(jī)的尺寸，DC/DC變換器更加緊湊。由于采用器件的損耗降低，從而降低了整機(jī)損耗，提升了效率;采用SiC器件串聯(lián)的方式可以有效提高DC/DC變換器的電壓等級(jí)，同時(shí)也提高了DC-DC變換器的傳輸功率;本發(fā)明的控制系統(tǒng)將主控單元、信號(hào)發(fā)生單元、驅(qū)動(dòng)單元和采樣保護(hù)單元分開設(shè)計(jì)，層次分明，結(jié)構(gòu)清晰，將信號(hào)發(fā)生單元產(chǎn)生的信號(hào)分配至驅(qū)動(dòng)單元，再通過各驅(qū)動(dòng)單元對(duì)器件發(fā)送驅(qū)動(dòng)信號(hào)，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)SiC器件的無差異控制，保證DC/DC變換器的可靠性和安全性。
【附圖說明】
[0020]圖1為基于SiC器件串聯(lián)的雙向DC/DC變換器系統(tǒng)框圖。
[0021 ]圖2為基于SiC器件串聯(lián)的雙向DC/DC變換器主電路拓?fù)鋱D。
[0022]圖3為每個(gè)橋臂的電子開關(guān)由全控器件串聯(lián)組成示意圖。
[0023]圖4為SiC器件串聯(lián)均壓電路。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合實(shí)施例并參照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0025]實(shí)施例1:
[0026]實(shí)施例1的基于SiC器件串聯(lián)的雙向DC/DC變換器系統(tǒng)組成如圖1所示，包括主電路和控制系統(tǒng)兩部分。
[0027]基于SiC器件串聯(lián)的雙向DC/DC變換器主電路拓?fù)淙鐖D2所示，包括輸入側(cè)濾波電容&，逆變?nèi)珮?、傳輸電感L、輸入側(cè)隔直電容C3，高頻變壓器T、輸出側(cè)隔直電容C4，整流全橋、輸出側(cè)濾波電容(:2等八部分。其中U1為輸入直流電壓;輸入側(cè)濾波電容(^直接接于山的正負(fù)母線之間，起到濾波和穩(wěn)壓及消除電壓尖峰的作用;直流電經(jīng)逆變?nèi)珮蜃儞Q為交流電后再經(jīng)傳輸電感L和輸入側(cè)隔直電容C3后接于變壓器T的原邊;變壓器的副邊輸出經(jīng)輸出側(cè)隔直電容C4接于整流橋的輸入側(cè)，交流電經(jīng)整流橋后變換為直流電，該直流電再經(jīng)過輸出側(cè)濾波電容后輸出即為U2。
[0028]所述輸入側(cè)濾波電容C1和輸出側(cè)濾波電容C2為薄膜電容，對(duì)輸入直流電壓其濾波作用。
[0029]所述逆變?nèi)珮驅(qū)⒅绷麟娮儞Q為交