一種基于SiC器件串聯的雙向DC/DC變換器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力電子技術領域，主要涉及一種基于SiC器件串聯的雙向隔離DC/DC
變換器。
【背景技術】
[0002]隨著港口岸電電源、電力機車牽引系統、電能質量治理、新能源發電、高壓柔性直流輸電等領域的發展，電力電子變壓器應運而生，而其核心組件雙向隔離DC/DC變換器的研究在電壓等級、功率等級和工作頻率等方面存在諸多限制，亟需取得突破。
[0003]傳統的雙向DC/DC變換器的器件一般采用Si材料的IGBT，但由于結構因素影響，其開關損耗大，且隨電壓等級的升高，開關頻率很低，造成效率低、體積大。
[0004]為解決上述問題，一般采用軟開關技術，華北電力大學的發明專利201110140067.1 “一種的對稱半橋LLC諧振式雙向直流-直流變換器”，但因為IGBT關斷時拖尾電流比較大，時間長，所以其關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構，但是每個橋臂都是單只器件，耐壓等級沒有提升，且在高壓條件下開關頻率比較低。
[0005]SiC MOSFET模塊是新興器件，與Si材料的MOSFET相比，耐壓高、電流大，更適合于大功率場合;而與Si材料的IGBT模塊相比，開關速度快，開關損耗低，且其反并聯二極管為SiC的肖特基二極管，沒有反向恢復損耗，開關頻率可以更高，這樣后級傳輸電感和高頻變壓器體積可以大大減小，目前已經商業化的SiC MOSFET模塊額定電壓可達1700V，額定電流300A，工作頻率可達幾十KHz甚至上百KHz。
【發明內容】
[0006]本發明目的是:針對現有技術的不足，提供一種基于SiC器件串聯的雙向DC/DC變換器，該目的通過一種基于器件串聯的移相全橋電路實現。
[0007]具體地說，本發明所采取的技術方案是:一種基于SiC器件串聯的高壓大功率雙向DC/DC變換器，包括輸入側濾波電容、逆變全橋、傳輸電感、輸入側隔直電容、變壓器、輸出測隔直電容、整流全橋和輸出濾波電容。其中直流輸入端經輸入側濾波電容與逆變全橋的輸入側相連，逆變全橋的輸出側一端經傳輸電感和輸入側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全橋的另一輸出端相連。變壓器的副邊輸出端經輸出測隔直電容與整流橋的輸入端相連，整流橋的輸出側與輸出側濾波電容相連。
[0008]所述輸入側濾波電容和輸出側濾波電容為薄膜電容，對輸入直流電壓其濾波作用。
[0009]所述逆變全橋將直流電變換為交流電，其包括第一電子開關、第二電子開關、第三電子開關、第四電子開關，第一電子開關與第二電子開關串聯后并聯于輸入側濾波電容兩端，第三電子開關與第四電子開關串聯后并聯于輸入側濾波電容兩端。第一電子開關與第二電子開關的連接中點依次串聯傳輸電感L和輸入側隔直電容，與變壓器的原邊一端子相連接;第三電子開關與第四電子開關的連接中點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儲存能量和傳輸能量的作用。
[0011]所述輸入側隔直電容和輸出側隔直電容起到隔離直流電信號的作用。
[0012]所述高頻變壓器將逆變全橋輸出的高頻交流電變換為整流橋輸入側的高頻交流電，起到變壓和隔離作用。
[0013]所述整流全橋將高頻變壓器輸出的交流電變換為直流電，其包括第五電子開關、第六電子開關、第七電子開關、第八電子開關，第五電子開關與第六電子開關串聯后并聯于輸出側濾波電容兩端，第七電子開關與第八電子開關串聯后并聯于輸出側濾波電容兩端。變壓器副邊一端子經輸出測隔直電容與第七電子開關和第八電子開關的連接中點相連;變壓器的副邊另一端子與第五電子開關和第六電子開關的中點相連。
[0014]所述第一電子開關、第二電子開關、第三電子開關、第四電子開關、第五電子開關、第六電子開關、第七電子開關、第八電子開關均為2只或多只全控器件串聯組成，該全控器件為SiC MOSFET模塊。相互串聯的每個全控器件并聯有均壓電路，該均壓電路對串聯的全控器件起均壓作用，并能抑制電路中的電壓過沖，保護器件不被損壞。
[0015]所述均壓電路由靜態均壓電路和動態均壓電路組成，靜態均壓電路由并聯于SiCMOSFET兩端的電阻組成，其阻值約為所并聯SiC MOSFET關斷時等效電阻阻值的1/10;動態均壓電路為由電阻與二極管并聯后再與吸收電容串聯組成的RCD緩沖電路組成，并聯于靜態均壓電路的兩端。
[0016]本發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，包括主控單元、信號發生單元、驅動單元和采樣保護單元，其中:主控單元用于系統監控、系統控制策略實現以及控制命令下發;信號發生單元用于實現上層主控單元的控制要求，并實時的下發控制信號指令并監控下層驅動單元，同時將雙向DC/DC變換器的運行狀態數據匯總報告給主控單元;驅動單元用于接收信號發生單元下發的控制信號指令以及產生驅動波形實現對雙向DC/DC變換器的各全控器件的驅動;采樣保護單元用于對雙向DC/DC變換器運行情況進行實時采樣，并將采樣信號通過信號發生單元上傳至主控單元。
[0017]本發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全橋每一橋臂串聯的全控器件同時導通和關斷，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度互補導通，整流全橋和逆變全橋中所有斜對角兩組全控器件都同時開關，通過控制兩個全橋橋臂中點電壓之間的移向角，來控制功率傳輸的方向和大小。
[0018]需要指出的是，輸入側濾波電容和輸出側濾波電容、輸入側隔直電容和輸出側處側隔直電容是相對的，當功率流向反向時，輸出側濾波電容變為輸入側濾波電容，輸入側濾波電容變為輸出側濾波電容，同樣輸入側隔直電容變為輸出側隔直電容，輸出側隔直電容變為輸入側隔直電容。所述逆變全橋和整流全橋也是相對的，當功率方向反向時，整流全橋變為逆變全橋，逆變全橋變為整流全橋。
[0019]本發明的有益效果如下:本發明的基于SiC器件串聯的雙向DC/DC變換器，采用SiC器件特別是SiC MOSFET模塊作為開關器件，其開關損耗小，開關頻率高，提高了整機的工作頻率，并相應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，從而降低了整機損耗，提升了效率;采用SiC器件串聯的方式可以有效提高DC/DC變換器的電壓等級，同時也提高了DC-DC變換器的傳輸功率;本發明的控制系統將主控單元、信號發生單元、驅動單元和采樣保護單元分開設計，層次分明，結構清晰，將信號發生單元產生的信號分配至驅動單元，再通過各驅動單元對器件發送驅動信號，有利于實現對串聯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器件串聯的雙向DC/DC變換器系統框圖。
[0021 ]圖2為基于SiC器件串聯的雙向DC/DC變換器主電路拓撲圖。
[0022]圖3為每個橋臂的電子開關由全控器件串聯組成示意圖。
[0023]圖4為SiC器件串聯均壓電路。
【具體實施方式】
[0024]下面結合實施例并參照附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0025]實施例1:
[0026]實施例1的基于SiC器件串聯的雙向DC/DC變換器系統組成如圖1所示，包括主電路和控制系統兩部分。
[0027]基于SiC器件串聯的雙向DC/DC變換器主電路拓撲如圖2所示，包括輸入側濾波電容&，逆變全橋、傳輸電感L、輸入側隔直電容C3，高頻變壓器T、輸出側隔直電容C4，整流全橋、輸出側濾波電容(:2等八部分。其中U1為輸入直流電壓;輸入側濾波電容(^直接接于山的正負母線之間，起到濾波和穩壓及消除電壓尖峰的作用;直流電經逆變全橋變換為交流電后再經傳輸電感L和輸入側隔直電容C3后接于變壓器T的原邊;變壓器的副邊輸出經輸出側隔直電容C4接于整流橋的輸入側，交流電經整流橋后變換為直流電，該直流電再經過輸出側濾波電容后輸出即為U2。
[0028]所述輸入側濾波電容C1和輸出側濾波電容C2為薄膜電容，對輸入直流電壓其濾波作用。
[0029]所述逆變全橋將直流電變換為交