基于SiC-Si混合功率半导体器件开关的双有源桥变换器制造技术

一种基于SiC‑Si混合功率半导体器件开关的双有源桥变换器，由两个基于SiC‑Si混合功率半导体器件开关的单相全桥H1和H2，以及一台高频变压器Thf构成。SiC‑Si混合功率半导体器件由同电压等级的一只小额定电流SiC‑MOSFET和一只大额定电流Si‑IGBT并联组成。本发明专利技术双有源桥变换器为移相控制。在SiC‑Si混合功率半导体器件开关中先导通SiC‑MOSFET,实现Si‑IGBT零电压开通，然后关断SiC‑MOSFET，使得Si‑IGBT零电压关断。配合双有源桥变换器的原有软开关范围，通过改变SiC‑Si混合功率半导体器件中SiC‑MOSFET和Si‑IGBT的开通关断时序，可以降低基于SiC‑Si混合功率半导体器件开关的双有源桥变换器的器件开关损耗及通态损耗，提高变换器效率。

Double Active Bridge Converter Based on SiC-Si Hybrid Power Semiconductor Device Switch

【技术实现步骤摘要】
基于SiC-Si混合功率半导体器件开关的双有源桥变换器
本专利技术涉及一种双有源桥变换器，特别涉及一种双有源桥变换器。
技术介绍
具有隔离、能量双向流动的变换器具有广泛的应用需求，如微网、固态变压器、电动汽车充电桩等。无论是交流还是直流的双向变换器，其核心部分都是中高频隔离双向DC-DC变换器。在实际应用中，为减少能源损耗、成本和体积，效率和功率密度是评价隔离型双向DC-DC变换器的重要指标。在众多隔离双向DC-DC变换器拓扑中，双有源桥因其结构对称、控制灵活、易实现零电压开通而得到广泛研究和应用。双有源桥拓扑为对称结构，变压器原边侧和副边侧均由开关管组成全桥电路，Vab和Vcd分别是原边侧和副边侧桥臂中点电压，iL是电感电流。两个全桥电路通过一个中高频变压器连接。常用的单相双有源桥共有四个桥臂，各桥臂之间可产生相位差，因而有三个控制变量，包括原边侧桥臂中点电压Vab、副边侧桥臂中点电压Vcd的占空比D1和D2，以及原边侧桥臂中点电压Vab与副边侧桥臂中点电压Vcd之间的相位差φ。传统的移相调制法仅调节φ，保持D1和D2为50％，这种方法控制简单且开关管能自动实现零电压开通特性，但是零电压开通的范围有限，并且存在较大的电流应力，会增加导通损耗。各国学者对此进行了大量研究，研究重点是设法减小电流应力以及开关损耗。2013年在IEEETransactiononIndustrialElectronics【电力电子期刊】上发表的“Current-stress-optimizedswitchingstrategyofisolatedbidirectionalDC–DCconverterwithdual-phase-shiftcontrol”一文，提出了同时调节D1、D2和φ来减小电流应力，但是由于D1和D2保持相等，因此该控制方法实质上只进行了两个维度的调节，求得的电流应力最小值仅仅是局部的最优；2012年在IEEETransactiononPowerElectronics【电力电子期刊】发表的“ClosedformsolutionforminimumconductionlossmodulationofDABconverters”一文，通过改变D1，D2和φ三个维度的解耦调节来减小导通损耗，但是该方法表达式复杂，且在中等功率等级下没有进行闭环设计，复杂的控制方法使其不适于工程实践。中国专利201710657027.1是一种用于双有源桥变换器的闭环控制方法，通过调节双有源桥变换器的原边全桥内部移相比、副边全桥内部移相比、原副边之间移相比三个控制量，实现全局优化。该专利技术的控制量较多，增加了控制器的成本和控制难度。总结来说，现有的双有源桥控制方法无法兼顾效率最优和控制复杂度。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提出一种基于SiC-Si混合功率半导体器件开关的双有源桥变换器。本专利技术在该拓扑基础上通过对SiC-Si混合功率半导体器件开关驱动时序的控制，使双有源桥变换器开关损耗达到最小值，简化了控制方法，提高了效率，简单易行，适用于工程实践。为解决技术问题，本专利技术的解决方案是：本专利技术双有源桥变换器包括单相全桥H1、单相全桥H2和高频变压器Thf。所述单相全桥H1由桥臂1、桥臂2和滤波电容C1构成，单相全桥H2由桥臂3、桥臂4和滤波电容C2构成。所述高频变压器的原边与所述的桥臂1和桥臂2相连，高频变压器的副边与所述的桥臂3和桥臂4相连。所述的桥臂1由SiC-Si混合功率半导体器件S1和S2串联构成，所述的桥臂2由SiC-Si混合功率半导体器件S3和S4串联构成，所述的桥臂3由SiC-Si混合功率半导体器件S5和S6串联构成，所述的桥臂4由SiC-Si混合功率半导体器件S7和S8串联构成。所述的SiC-Si混合功率半导体器件S1由一只SiC-MOSFETM1、一只Si-IGBTG1，以及各自的并联二极管并联组成。所述的SiC-Si混合功率半导体器件S2由一只SiC-MOSFETM2、一只Si-IGBTG2，以及各自的并联二极管并联组成。所述的SiC-Si混合功率半导体器件S3由一只SiC-MOSFETM3、一只Si-IGBTG3，以及各自的并联二极管并联组成。所述的SiC-Si混合功率半导体器件S4由一只SiC-MOSFETM4、一只Si-IGBTG4，以及各自的并联二极管并联组成。所述的SiC-Si混合功率半导体器件S5由一只SiC-MOSFETM5、一只Si-IGBTG5，以及各自的并联二极管并联组成。所述的SiC-Si混合功率半导体器件S6由一只SiC-MOSFETM6、一只Si-IGBTG6，以及各自的并联二极管并联组成。所述的SiC-Si混合功率半导体器件S7由一只SiC-MOSFETM7、一只Si-IGBTG7，以及各自的并联二极管并联组成。所述的SiC-Si混合功率半导体器件S8由一只SiC-MOSFETM8、一只Si-IGBTG8，以及各自的并联二极管并联组成。混合功率半导体器件中Si-IGBTG1-G8和SiC-MOSFETM1-M8的额定电压相同，Si-IGBTG1-G8和SiC-MOSFETM1-M8的额定电流之比大于或等于1。所述高频变压器用于所述单相全桥H1和单相全桥H2之间的电压等级变换和电气隔离。对本专利技术双有源桥变换器的控制方法如下：通过移相控制方式对所述单相全桥H1和所述单相全桥H2进行控制。移相控制使用依次串联连接的电压差值比较器、PI调节器、限幅器和驱动信号产生模块对双有源桥变换器进行控制。其中，电压差值比较器的输入信号是单相全桥H2输出电压的给定值V2ref与实际测量值V2mea的差值，该信号经过PI控制得到控制信号D。所述控制信号D用于调节单相全桥H1的桥臂1和桥臂2中点电压Vab，以及单相全桥H2的桥臂3和桥臂4中点电压Vab之间的相位差φ，从而实现对传输功率的调节。限幅器将PI调节器输出的控制信号D限制在0到1之间，易于实现后级控制，使输出功率与D呈单调递增关系，当单相全桥H2输出电压的实际测量值V2mea小于单相全桥H2出电压的给定值V2ref时，差值为正，控制信号D逐渐变大，增大输出功率，使单相全桥H2输出电压的实际测量值V2mea增大；当单相全桥H2输出电压的V2mea大于单相全桥H2出电压的给定值V2ref时，差值为负，控制信号D逐渐变小，减小输出功率，使实际测量值V2mea减小。驱动信号产生模块根据控制信号D的值，计算SiC-Si混合功率半导体开关器件门极驱动信号的相位差，并产生十六个驱动信号，分别控制SiC-Si混合功率半导体开关器件S1～S8的开关管M1-M8和G1-G8。本专利技术所有SiC-MOSFET开关管的驱动信号都是50％占空比的方波信号；其中，SiC-MOSFETM1与SiC-MOSFETM2的信号互补、SiC-MOSFETM3与SiC-MOSFETM4的信号互补、SiC-MOSFETM5与SiC-MOSFETM6的信号互补、SiC-MOSFETM7与SiC-MOSFETM8的信号互补；驱动时序如下：SiC-MOSFETM1超前SiC-MOSFETM5的时间由用于调节输出电压的PI调节器输出的控制信号D控制；Si-IGBTG1比SiC-MOS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SiC‑Si混合功率半导体器件开关的双有源桥变换器，其特征在于：所述的双有源桥变换器包括单相全桥H1、单相全桥H2和高频变压器Thf；所述单相全桥H1由桥臂1、桥臂2、滤波电容C1构成，单相全桥H2由桥臂3、桥臂4和滤波电容C2构成；所述高频变压器的原边与所述的桥臂1和桥臂2相连，所述高频变压器的副边与所述的桥臂3和桥臂4相连；所述的桥臂1由SiC‑Si混合功率半导体器件S1和S2串联构成，所述的桥臂2由SiC‑Si混合功率半导体器件S3和S4串联构成，所述的桥臂3由SiC‑Si混合功率半导体器件S5和S6串联构成，所述的桥臂4由SiC‑Si混合功率半导体器件S7和S8串联构成；所述高频变压器用于将所述的单相全桥H1和单相全桥H2之间的电压等级变换和电气隔离。

【技术特征摘要】
1.一种基于SiC-Si混合功率半导体器件开关的双有源桥变换器，其特征在于：所述的双有源桥变换器包括单相全桥H1、单相全桥H2和高频变压器Thf；所述单相全桥H1由桥臂1、桥臂2、滤波电容C1构成，单相全桥H2由桥臂3、桥臂4和滤波电容C2构成；所述高频变压器的原边与所述的桥臂1和桥臂2相连，所述高频变压器的副边与所述的桥臂3和桥臂4相连；所述的桥臂1由SiC-Si混合功率半导体器件S1和S2串联构成，所述的桥臂2由SiC-Si混合功率半导体器件S3和S4串联构成，所述的桥臂3由SiC-Si混合功率半导体器件S5和S6串联构成，所述的桥臂4由SiC-Si混合功率半导体器件S7和S8串联构成；所述高频变压器用于将所述的单相全桥H1和单相全桥H2之间的电压等级变换和电气隔离。2.如权利要求1所述的基于SiC-Si混合功率半导体器件开关的双有源桥变换器，其特征在于：所述的SiC-Si混合功率半导体器件S1由一只SiC-MOSFETM1、一只Si-IGBTG1，以及各自的并联二极管并联组成；所述的SiC-Si混合功率半导体器件S2由一只SiC-MOSFETM2、一只Si-IGBTG2，以及各自的并联二极管并联组成；所述的SiC-Si混合功率半导体器件S3由一只SiC-MOSFETM3、一只Si-IGBTG3，以及各自的并联二极管并联组成；所述的SiC-Si混合功率半导体器件S4由一只SiC-MOSFETM4、一只Si-IGBTG4，以及各自的并联二极管并联组成；所述的SiC-Si混合功率半导体器件S5由一只SiC-MOSFETM5、一只Si-IGBTG5，以及各自的并联二极管并联组成；所述的SiC-Si混合功率半导体器件S6由一只SiC-MOSFETM6、一只Si-IGBTG6，以及各自的并联二极管并联组成；所述的SiC-Si混合功率半导体器件S7由一只SiC-MOSFETM7、一只Si-IGBTG7，以及各自的并联二极管并联组成；所述的SiC-Si混合功率半导体器件S8由一只SiC-MOSFETM8、一只Si-IGBTG8，以及各自的并联二极管并联组成；所述的混合功率半导体器件Si-IGBTG1-G8和SiC-MOSFETM1-M8的额定电压相同，Si-IGBTG1-G8和SiC-MOSFETM1-M8的额定电流之比大于或等于1；所述高频变压器用于所述的单相全桥H1和单相全桥H2之间的电压等级变换和电气隔离。3.如权利要求1所述的基于SiC-Si混合功率半导体器件开关的双有源桥变换器，其特征在于：通过依次串联连接的电压差值比较器、PI调节器、限幅器和驱动信号产生模块对双有源桥变换器采用移相控制方式进行控制；所述电压差值比较器的输入信号是单相全桥H2输出电压的给定值V2ref与实际测量值V2mea的差值，该信号经过PI控制得到控制信号D，该控制信号D用于调节单相全桥H1的桥臂1和桥臂2中点电压Vab，以及单相全桥H2的桥臂3和桥臂4中点电压Vab之...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵翔，李子欣，高范强，徐飞，赵聪，李耀华，王平，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11