一种三相模块化并联混合型LCL滤波变换器及其协调电流补偿SPWM控制方法技术

本发明专利技术公开了一种三相模块化并联混合型LCL滤波变换器及其协调电流补偿SPWM控制方法。所提出的模块化混合型变换器拓扑侧重点在于对传统的三相半桥逆变电路拓扑模块化并联，其中硅基模块开关采用硅基绝缘栅双极型晶体管，另一碳化硅模块开关采用碳化硅基金属氧化物半导体场效应管。所提出的协调电流补偿SPWM控制方法侧重点在于针对硅基模块所产生的大电流纹波，通过使碳化硅模块产生协调电流补偿，实现交流侧负载的低电流纹波。同时采用LCL滤波器，进一步实现在与全碳化硅基功率器件相近性能的情况下，降低了成本与滤波器体积，极具工程推广前景。具工程推广前景。具工程推广前景。

【技术实现步骤摘要】
一种三相模块化并联混合型LCL滤波变换器及其协调电流补偿SPWM控制方法


[0001]本专利技术涉及电力电子
，尤其涉及三相模块化并联混合型变换器领域以及相应的控制方法。

技术介绍

[0002]电动汽车的高速发展带动了低压场合逆变器市场的繁荣。尤其是模块化并联变换器，因其模块化生产的低成本和并联连接的低电流纹波等优点逐渐成为学术和工业界的研究热点。另一方面，碳化硅等宽禁带半导体开关器件相比传统硅基半导体器件具有更低的开关损耗、更高的工作频率等优点，适应电力电子变换器高功率密度、高效率的发展方向。
[0003]然而高昂的价格却成为限制其推广的阻碍。文献"WBG and Si Hybrid Half
‑
Bridge Power Processing Toward Optimal Efficiency,Power Quality,and Cost Tradeoff"(IEEE Transactions on Power Electronics,2022,37)提出了一种硅器件与碳化硅器件混合的半桥并联dc
‑
dc变换器。其能实现低的电流纹波和优质的变换效率。然而，文章提出的变换器只适用于dc
‑
dc的变换场合，未有针对dc
‑
ac的逆变场合进行深入研究。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，本专利技术提出了一种三相模块化并联混合型LCL滤波变换器及其协调电流补偿SPWM控制方法。所提出的模块化混合型变换器拓扑侧重点在于对传统的三相半桥逆变电路拓扑模块化并联，其中硅基模块开关采用硅基绝缘栅双极型晶体管且工作在低频率，另一碳化硅模块开关采用碳化硅基金属氧化物半导体场效应管且工作在高频率，兼顾了高性能和低成本，兼具混合型变换器和并联型变换器的优势。所提出的协调电流补偿SPWM控制方法针对硅基模块所产生的大电流纹波，通过使碳化硅模块产生协调电流补偿，实现交流侧负载的低电流纹波。同时采用LCL滤波器，进一步实现在与全碳化硅基功率器件性能相近的情况下，降低了成本与滤波器体积，极具工程推广前景。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]本专利技术首先提供了一种三相模块化并联混合型LCL滤波变换器拓扑，其包含第一直流电源、第二直流电源、结构完全相同且相互并联的第一相电路、第二相电路和第三相电路，以及三个交流侧负载或三相电网；所述的第一直流电源阳极引出第一直流母线功率端子；所述第一直流电源阴极连接至第二直流电源阳极并引出直流母线中性点；所述第二直流电源阴极引出第二直流母线功率端子；
[0007]每一相电路均包括一个硅基半桥模块、一个碳化硅半桥模块、一个硅基模块电感、一个碳化硅模块电感、一个滤波电容和一个交流侧电感；其中，硅基半桥模块上桥臂的集电极连到第一直流母线功率端子，硅基半桥模块下桥臂的发射极连到第二直流母线功率端子，碳化硅半桥模块上桥臂的集电极连到第一直流母线功率端子，碳化硅半桥模块下桥臂的发射极连到第二直流母线功率端子；所述硅基模块电感L
1x
一侧连接至硅基半桥模块上下
桥臂的公共端；所述碳化硅模块电感L
2x
一侧连接至碳化硅半桥模块上下桥臂的公共端；所述硅基模块电感L
1x
另一侧与所述碳化硅模块电感L
2x
另一侧相连并引出逆变侧输出端子；所述负载侧电感L
s
一侧和滤波电容C
f
的一侧均与逆变测输出端子相连；
[0008]所述第一相电路、第二相电路和第三相电路的三个滤波电容C
f
另一侧互相连接；第一相电路、第二相电路和第三相电路的三个负载侧电感L
s
的另一侧分别与三个交流侧负载或三相电网相连，三个交流侧负载或三相电网另一侧连接至负载中性点或电网中性点。
[0009]作为本专利技术的优选方案，所述的硅基半桥模块的上桥臂开关S
1x
和下桥臂开关S
2x
均为硅基绝缘栅双极型晶体管；碳化硅半桥模块的上桥臂开关S
3x
和桥臂下开关S
4x
均为碳化硅基金属氧化物半导体场效应管。
[0010]进一步的，所述碳化硅半桥模块的开关频率为硅基半桥模块的开关频率的10～30倍。
[0011]本专利技术还提供了一种上述三相模块化并联混合型LCL滤波变换器拓扑的协调电流补偿SPWM控制方法，其包括如下步骤：
[0012]从给定的硅基半桥模块三相正弦参考电压出发，计算出使得碳化硅半桥模块输出电流为零的碳化硅半桥模块三相基频电压并预测硅基半桥模块输出电流纹波大小；为了补偿硅基电流，计算出碳化硅半桥模块的协调补偿电压并与碳化硅半桥模块三相基频电压相加得到碳化硅半桥模块新的三相参考电压；硅基半桥模块的参考电压与碳化硅半桥模块的新参考电压分别作为硅基半桥模块调制波和碳化硅半桥模块调制波，与载波比较确定三相各桥臂的开关状态及切换时间，最后转化成12路PWM信号。
[0013]与现有技术相比，本专利技术提出的三相模块化并联混合型LCL滤波变换器及其协调电流补偿SPWM控制方法，可以适用于三相低压dc
‑
ac逆变场合，负载侧可以接入R
‑
L负载，也可以接入电网。通过在高频工作的碳化硅模块对低频工作的硅基模块产生的大电流进行协调补偿，大幅减小了负载侧的纹波大小。同时采用了LCL滤波器，进一步减小了变换器的整体体积。
附图说明
[0014]图1为模块化并联混合型LCL滤波变换器三相电路拓扑示意图。
[0015]图2为并网型模块化并联混合型LCL滤波变换器三相电路拓扑示意图。
[0016]图3为模块化并联混合型LCL滤波变换器单相电路拓扑及其等效电路示意图。
[0017]图4为应用于所述变换器的协调电流补偿SPWM控制方法流程图。
[0018]图5为协调电流补偿SPWM控制方法示意图。
[0019]图6为一个实施例中的单相负载电流波形。
[0020]图7为一个实施例中的单相负载电流的傅里叶频谱分析图。
[0021]图8为一个实施例中碳化硅模块调制波波形。
具体实施方式
[0022]下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0023]随着电力电子变换器向着高效率、高功率密度方向不断发展，传统的硅功率器件无法满足高频工作下的低热损耗需求。以碳化硅为代表的宽禁带器件相比传统的硅功率器件具有更低的开关损耗、更高的工作频率，适合于新的高频场合。但是考虑到宽禁带器件的成本较高，我们使用硅基器件模块和碳化硅器件模块混合并联的拓扑，采用LCL滤波进一步减小变换器体积成本。针对模块混合并联的拓扑方式，通过协调电流补偿方法，实现负载侧的低电流纹波，实现了与全碳化硅器件相近的性能，兼顾效率和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三相模块化并联混合型LCL滤波变换器拓扑，其特征在于：包含第一直流电源、第二直流电源、结构完全相同且相互并联的第一相电路、第二相电路和第三相电路，以及三个交流侧负载或三相电网；所述的第一直流电源阳极引出第一直流母线功率端子；所述第一直流电源阴极连接至第二直流电源阳极并引出直流母线中性点(O)；所述第二直流电源阴极引出第二直流母线功率端子；每一相电路均包括一个硅基半桥模块、一个碳化硅半桥模块、一个硅基模块电感、一个碳化硅模块电感、一个滤波电容和一个交流侧电感；其中，硅基半桥模块上桥臂的集电极连到第一直流母线功率端子，硅基半桥模块下桥臂的发射极连到第二直流母线功率端子，碳化硅半桥模块上桥臂的集电极连到第一直流母线功率端子，碳化硅半桥模块下桥臂的发射极连到第二直流母线功率端子；所述硅基模块电感L
1x
一侧连接至硅基半桥模块上下桥臂的公共端；所述碳化硅模块电感L
2x
一侧连接至碳化硅半桥模块上下桥臂的公共端；所述硅基模块电感L
1x
另一侧与所述碳化硅模块电感L
2x
另一侧相连并引出逆变侧输出端子；所述负载侧电感L
s
一侧和滤波电容C
f
的一侧均与逆变测输出端子相连；所述第一相电路、第二相电路和第三相电路的三个滤波电容C
f
另一侧互相连接；第一相电路、第二相电路和第三相电路的三个负载侧电感L
s
的另一侧分别与三个交流侧负载或三相电网相连，三个交流侧负载或三相电网另一侧连接至负载中性点(N)或电网中性点(N)。2.根据权利要求1所述的三相模块化并联混合型LCL滤波变换器拓扑，其特征在于：所述的硅基半桥模块的上桥臂开关S
1x
和下桥臂开关S
2x
均为硅基绝缘栅双极型晶体管；碳化硅半桥模块的上桥臂开关S
3x
和桥臂下开关S
4x
均为碳化硅基金属氧化物半导体场效应管。3.根据权利要求1或2所述的三相模块化并联混合型LCL滤波变换器拓扑，其特征在于：所述碳化硅半桥模块的开关频率为硅基半桥模块的开关频率的10～30倍。4.根据权利要求1或2所述的三相模块化并联混合型LCL滤波变换器拓扑，其特征在于：所述变换器的每一相均有三种输出电平，分别为N、O和...

【专利技术属性】
技术研发人员：李楚杉，王连杰，李武华，向鑫，何湘宁，张石磊，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：