SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器，其包括2N個(gè)低壓模塊單元、2個(gè)高壓功率開關(guān)器件和4個(gè)橋臂電感，其中一相的上橋臂由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)；另外一相的上橋臂由1個(gè)高壓功率開關(guān)器件與橋臂電感串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由橋臂電感與1個(gè)高壓功率開關(guān)器件串聯(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)成對應(yīng)相橋臂的交流輸出端。本實(shí)用新型采用多電平控制策略，混合式單相高壓變換器的輸出電壓將呈現(xiàn)正弦多電平電壓，減少了諧波。
【專利說明】SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于電力電子變換器或高電壓應(yīng)用領(lǐng)域，涉及SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相多電平高壓變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]SiC (碳化硅)功率開關(guān)器件的優(yōu)勢在于具有高壓(達(dá)數(shù)萬伏)、高溫(大于500°C)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。迄今為止，國際上已經(jīng)研發(fā)出19.5kV的碳化硅二極管、3.lkV、4.5kV的門極可關(guān)斷晶閘管、IOkV的碳化硅MOSFET和13?15kV碳化硅IGBT等，在未來的幾年里，隨著產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不斷加速，SiC功率開關(guān)器件將成為高壓、大容量工業(yè)應(yīng)用的主要器件。
[0003]“一代器件、一代電力電子拓?fù)洹笔请娏﹄娮蛹夹g(shù)發(fā)展的一個(gè)特征，SiC功率開關(guān)器件的發(fā)展必然催生一批新的高壓變換器的出現(xiàn)，由于SiC功率開關(guān)器件的高壓特性，可以解決現(xiàn)有硅功率開關(guān)器件的串聯(lián)均壓問題，在需要高壓大容量應(yīng)用的電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電、武器準(zhǔn)備、運(yùn)載設(shè)備上廣泛應(yīng)用。然而，SiC功率開關(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，為此本實(shí)用新型提出一種SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相多電平高壓變換器，它即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。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型提出一種SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相多電平高壓變換器，與現(xiàn)有以硅IGBT為主的模塊組合多電平變換器(MMC變換器)比較，一是電路簡單，減少了元器件，降低了電路成本；二是控制簡單，可實(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。本實(shí)用新型通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
[0005]SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器，其包括2N個(gè)低壓模塊單元、2個(gè)高壓功率開關(guān)器件和4個(gè)橋臂電感?；旌鲜絾蜗喔邏鹤儞Q器其中一相的上橋臂由N個(gè)低壓模塊單元串聯(lián)后與第一橋臂電感的一端連接，下橋臂由第二橋臂電感的一端與另外N個(gè)低壓模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后第一橋臂電感的另一端與第二橋臂電感的另一端串聯(lián)；另外一相的上橋臂由I個(gè)高壓功率開關(guān)器件與第三橋臂電感的一端串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由第四橋臂電感的一端與另I個(gè)高壓功率開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成，然后第三橋臂電感的另一端與第四橋臂電感的另一端串聯(lián)。兩相上下橋臂電感的連接點(diǎn)構(gòu)成對應(yīng)相橋臂的交流輸出端，N為正整數(shù)。
[0006]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功率開關(guān)器件和I個(gè)直流電容構(gòu)成。
[0007]進(jìn)一步地，所述低壓模塊單元包括第一開關(guān)管和第二開關(guān)管，第一開關(guān)管和第二開關(guān)管的兩端均與續(xù)流二極管連接，第一開關(guān)管的正極和直流電容的正極相連接；第一開關(guān)管的負(fù)極和第二開關(guān)管的正極連接，連接點(diǎn)為O1端；第二開關(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。
[0008]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0，電流為第二開關(guān)管的導(dǎo)通方向；第四種狀態(tài)是輸出電壓為0，電流為第二開關(guān)管的續(xù)流二極管的導(dǎo)通方向。
[0009]進(jìn)一步地，所述的高壓功率開關(guān)器件采用帶續(xù)流二極管的SiC功率開關(guān)器件。
[0010]進(jìn)一步地，混合式單相高壓變換器其中一相的上橋臂由N個(gè)低壓模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，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端與第一橋臂電感連接；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，即第二橋臂電感與第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。
[0011]進(jìn)一步地，混合式單相高壓變換器另外一相的上橋臂由I個(gè)高壓功率開關(guān)器件與橋臂電感串聯(lián)構(gòu)成，即第一高壓功率開關(guān)的正極與電源的正極相連接，負(fù)極與第三橋臂電感相連接；下橋臂由橋臂電感與I個(gè)高壓功率開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成，即第二高壓功率開關(guān)的正極與第四橋臂電感相連接，負(fù)極與電源的負(fù)極相連接。
[0012]進(jìn)一步地，通過控制單相橋臂的電平輸出，可以得到混合式單相高壓變換器的交流輸出電壓為正弦多電平。
[0013]與現(xiàn)有的多電平技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果:
[0014]第一，本實(shí)用新型電路的結(jié)構(gòu)簡單，其中一相橋臂只需要2個(gè)高壓開關(guān)器件，元器件大量減少，降低了電路成本和復(fù)雜性；
[0015]第二，本實(shí)用新型電路的控制策略簡單，只需要控制各個(gè)低壓模塊的輸出電壓，就能實(shí)現(xiàn)電路輸出正弦多電平電壓，減少輸出諧波；
[0016]第三，本實(shí)用新型電路將低壓硅IGBT器件和高壓SiC功率開關(guān)器件有機(jī)地結(jié)合在一起，充分發(fā)揮了兩種器件的優(yōu)勢，更好地滿足了高壓工業(yè)應(yīng)用場合的實(shí)際需要。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實(shí)用新型的SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器主電路圖。
[0018]圖2是本實(shí)用新型的低壓模塊單元結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖3a?圖3d分別是低壓模塊單元的四種工作狀態(tài)示意圖。
[0020]圖4是具有2N=4個(gè)低壓模塊單元的SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖5是具有2N=4個(gè)低壓模塊單元的SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器的一種多電平輸出波形?！揪唧w實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述。
[0023]圖1所示的是本實(shí)用新型SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器主電路(單相是指該變換器輸出的是單相交流電壓)?；旌鲜礁邏鹤儞Q器的構(gòu)成方式如下:
[0024]1、其中一相的上橋臂由N個(gè)低壓模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成。圖2所示的是本實(shí)用新型的低壓模塊單元結(jié)構(gòu)，低壓模塊單元由2個(gè)帶續(xù)流二極管的硅IGBT功率開關(guān)器件，即第一開關(guān)管T1和第二開關(guān)管T2，及I個(gè)直流電容構(gòu)成。第一開關(guān)管T1的正極和直流電容Ce的正極相連接；第一開關(guān)管T1的負(fù)極和第二開關(guān)管T2的正極連接，連接點(diǎn)為O1端；第二開關(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]圖1中，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端與第一橋臂電感Lap連接；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，即第二橋臂電感Lan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]2、另外一相的上橋臂由I個(gè)高壓功率開關(guān)器件與橋臂電感串聯(lián)構(gòu)成，即第一高壓功率開關(guān)S1的正極與電源V的正極相連接，負(fù)極與第三橋臂電感Lbp相連接；下橋臂由橋臂電感與I個(gè)高壓功率開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成，即第二高壓功率開關(guān)S2的正極與第四橋臂電感Lbn相連接，負(fù)極與電源V的負(fù)極相連接；3、兩相上下橋臂串聯(lián)，橋臂電感連接點(diǎn)構(gòu)成對應(yīng)相橋臂的交流輸出端。
[0027]按照圖1的低壓模塊單元結(jié)構(gòu)，低壓模塊單元有4種工作狀態(tài)。其中圖3a是第一種工作狀態(tài)，即第一開關(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)，即第一開關(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)，即第二開關(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)，即第二開關(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功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器，它由4個(gè)低壓半橋模塊單元Mp M2、M3、M4, 2個(gè)SiC功率開關(guān)器件Sp S2和4個(gè)橋臂電感構(gòu)成，其中4個(gè)橋臂電感的電感值相同，均為L。
[0029]圖5是具有2N=4個(gè)低壓模塊單元的SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器的一種多電平輸出波形，從圖中可見，控制a端輸出電平為O、土E、±2E, b端輸出電平為±2E,可以得到輸出電壓Vab為五電平。
【權(quán)利要求】
1.SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器，其特征在于包括2N個(gè)低壓模塊單元、2個(gè)高壓功率開關(guān)器件和4個(gè)橋臂電感；混合式單相高壓變換器其中一相的上橋臂由N個(gè)低壓模塊單元串聯(lián)后與第一橋臂電感的一端連接，下橋臂由第二橋臂電感的一端與另外N個(gè)低壓模塊單元依次串聯(lián)構(gòu)成，然后第一橋臂電感的另一端與第二橋臂電感的另一端串聯(lián)；另外一相的上橋臂由I個(gè)所述高壓功率開關(guān)器件與第三橋臂電感的一端串聯(lián)構(gòu)成，下橋臂由第四橋臂電感的一端與另I個(gè)所述高壓功率開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成，然后第三橋臂電感的另一端與第四橋臂電感的另一端串聯(lián)；兩相上下橋臂電感的連接點(diǎn)構(gòu)成對應(yīng)相橋臂的交流輸出端，N為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器，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功率開關(guān)器件和I個(gè)直流電容構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器，其特征在于，所述低壓模塊單元包括第一開關(guān)管(T1)和第二開關(guān)管(T2),第一開關(guān)管(T1)和第二開關(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);第一開關(guān)管(T1)的正極和直流電容(Ce)的正極連接；第一開關(guān)管(T1)的負(fù)極和第二開關(guān)管(T2)的正極連接，連接點(diǎn)為O1端；第二開關(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功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器，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功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器，其特征在于，所述的高壓功率開關(guān)器件采用帶續(xù)流二極管的SiC功率開關(guān)器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器，其特征在于，混合式單相高壓變換器其中一相的上橋臂由N個(gè)低壓模塊單元與橋臂電感依次串聯(lián)構(gòu)成，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(M1M^ 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(Mp1)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端與第一橋臂電感(Lap)連接；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，即第二橋臂電感(Lan)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。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器，其特征在于，混合式單相高壓變換器另外一相的上橋臂由I個(gè)高壓功率開關(guān)器件與橋臂電感串聯(lián)構(gòu)成，即第一高壓功率開關(guān)(S1)的正極與電源(V)的正極相連接，負(fù)極與第三橋臂電感(Lbp)相連接；下橋臂由橋臂電感與I個(gè)高壓功率開關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成，即第二高壓功率開關(guān)(S2)的正極與第四橋臂電感(Lbn)相連接，負(fù)極與電源(V)的負(fù)極相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述SiC功率開關(guān)器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器，其特征在于，通過控制單相橋臂的電平輸出，得到交流輸出電壓為正弦多電平 。
【文檔編號】H02M7/49GK203722507SQ201420091640
【公開日】2014年7月16日 申請日期: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 申請人:華南理工大學(xué)