一種混合橋臂式隔離型雙向直流變換器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電氣自動(dòng)化設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體地，設(shè)及一種應(yīng)用于直流微網(wǎng)的、集合 IGBT與SIC-MOS陽(yáng)T的混合橋臂式隔離型雙向直流變換器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隔離型雙向直流變換器是直流微網(wǎng)中的關(guān)鍵部件之一，其地位類(lèi)似于交流電網(wǎng)中 的變壓器，可實(shí)現(xiàn)直流能量的雙向傳輸，電壓等級(jí)轉(zhuǎn)換及故障隔離等功能。其中較為成熟的 一種隔離型雙向直流變換器采用雙移相橋拓?fù)?，其結(jié)構(gòu)及控制簡(jiǎn)單，中高頻工作下，隔離變 壓器的體積可W大幅減小，且效率更高。
[0003] 傳統(tǒng)雙移相橋拓?fù)洳捎肧i-IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，控制方式則采用移相控制。此種 控制方式下，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)會(huì)產(chǎn)生八次開(kāi)關(guān)損耗，IGBT的開(kāi)關(guān)損耗基本在數(shù)十mj/次 運(yùn)個(gè)數(shù)量級(jí)，此值與開(kāi)關(guān)頻率直接相乘即為開(kāi)關(guān)損耗，因而隨著系統(tǒng)頻率提高，該損耗將非 ?？捎^，不利于系統(tǒng)效率的進(jìn)一步提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于直流微網(wǎng)的混合橋臂式 隔離型雙向直流變換器，并提供其對(duì)應(yīng)的控制方法，有利于系統(tǒng)效率的提高。 陽(yáng)〇化]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種混合橋臂式隔離型雙向直流變換器，包括第一 橋臂，第二橋臂，第立橋臂，第四橋臂，高頻隔離變壓器TW及輸入電容Cl、輸出電容C2,其 中：第一橋臂由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S1、S2構(gòu)成，第二橋臂由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S3、S4構(gòu)成，第=橋臂由 兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S5、S6構(gòu)成，第四橋臂由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S7、S8構(gòu)成，所述開(kāi)關(guān)管S2、S4、S7、S8為 SiC-MOS陽(yáng)T開(kāi)關(guān)管；
[0006] 所述變換器的電源輸入端正極接至輸入電容Cl的正極，電源輸入端負(fù)極接至輸入 電容Cl的負(fù)極。電容C1正極與第一橋臂正端即開(kāi)關(guān)管Sl的集電極、第二橋臂正端即開(kāi)關(guān) 管S3的漏極相連；開(kāi)關(guān)管Sl的發(fā)射極與開(kāi)關(guān)管S2的集電極相連，開(kāi)關(guān)管S3的源極與開(kāi)關(guān) 管S4的漏極相連；第一橋臂中點(diǎn)A、第二橋臂中點(diǎn)B引出接至高頻隔離變壓器T的原邊；電 容Cl負(fù)極與第一橋臂負(fù)端即開(kāi)關(guān)管S2的發(fā)射極、第二橋臂負(fù)端即開(kāi)關(guān)管S4的源極相連；
[0007] 所述變換器的電源輸出端正極接至輸出電容Cz的正極，電源輸出端負(fù)極接至輸入 電容Cz的負(fù)極；電容Cz正極與第=橋臂正端即開(kāi)關(guān)管S5的集電極、第四橋臂正端即開(kāi)關(guān)管 S7的漏極相連；開(kāi)關(guān)管S5的發(fā)射極與開(kāi)關(guān)管S6的集電極相連，開(kāi)關(guān)管S7的源極與開(kāi)關(guān)管 S8的漏極相連；第=橋臂中點(diǎn)C、第四橋臂中點(diǎn)D引出接至高頻隔離變壓器T的副邊；電容 Cz負(fù)極與第=橋臂負(fù)端即開(kāi)關(guān)管S6的發(fā)射極、第四橋臂負(fù)端即開(kāi)關(guān)管S8的源極相連。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種混合橋臂式隔離型雙向直流變換器的控制方 法，所述方法具體為：在變換器運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)序列W-個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts為基本單位進(jìn)行循環(huán)， 一個(gè)開(kāi)關(guān)序列共進(jìn)行6次開(kāi)關(guān)切換，切換時(shí)刻分別為tl、t2、172、tl巧,/2、t2巧,/2、L，時(shí) 亥Ij0與ti之間的時(shí)間間隔記為T(mén)1，tl與t2之間的時(shí)間間隔記為T(mén)2,通過(guò)合理設(shè)置T1、T2 兩大參數(shù)實(shí)現(xiàn)第一橋臂和第=橋臂的ZCS軟開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期只產(chǎn)生二次開(kāi)關(guān)損耗，且 開(kāi)關(guān)損耗全部由SiC-MOSFET開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生；其中Tl,T2需滿足如下條件：
[0010] 其中，Udc1、Udc2代表輸入電容Cl、輸出電容Cz上的直流電壓，n表示變壓器變比； 當(dāng)Tl,T2滿足上式時(shí)，電流在0時(shí)刻自零開(kāi)始增大，并在t2時(shí)刻回到零，實(shí)現(xiàn)了第一和第= 橋臂的ZCS軟開(kāi)關(guān)；電路傳輸功率P為：
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0013] 本發(fā)明方法由低開(kāi)關(guān)損耗但價(jià)格較高的SIC-M0SFET承受開(kāi)關(guān)損耗，SI-IGBT則工 作于ZCS軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而提升系統(tǒng)整體效率。除具備該優(yōu)勢(shì)外，此方法可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)的移 相控制方法相類(lèi)似的功率雙向流動(dòng)功能。
[0014] 本發(fā)明的應(yīng)用于直流微網(wǎng)的隔離雙向直流變流器混合式橋臂拓?fù)?，可?shí)現(xiàn)傳統(tǒng)雙 向直流變換器的所有基本功能，同時(shí)提升其效率。當(dāng)本發(fā)明的拓?fù)溥\(yùn)行于本發(fā)明的控制方 式下時(shí)，可減小開(kāi)關(guān)損耗，從而提升系統(tǒng)的功率密度，減小散熱壓力。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 通過(guò)閱讀參照W下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：
[0016] 圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中混合橋臂式隔離型雙向直流變換器拓?fù)鋱D；
[0017] 圖2為本發(fā)明混合橋臂式隔離型雙向直流變換器的工作波形（化<Vs); 陽(yáng)0化]圖3曰、圖3b為典型Si-IGBT器件與SiC-MOS陽(yáng)T器件之間的性能對(duì)比圖；
[0019] 圖4為混合橋臂式隔離型雙向直流變換器的工作波形（化〉Vs)。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。W下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不W任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可W做出若干變形和改進(jìn)。運(yùn)些都屬于本發(fā)明 的保護(hù)范圍。
[0021] 參照?qǐng)D1，為本發(fā)明一實(shí)施例中混合橋臂式隔離型雙向直流變換器拓?fù)?，包括第?橋臂，第二橋臂，第立橋臂，第四橋臂，高頻隔離變壓器TW及輸入電容Cl、輸出電容C2,其 中：第一橋臂由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管Sl、S2構(gòu)成，第二橋臂由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S3、S4構(gòu)成，第=橋臂由兩 個(gè)開(kāi)關(guān)管S5、S6構(gòu)成，第四橋臂由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管S7、S8構(gòu)成；
[0022] 所述變換器的電源輸入端正極接至輸入電容Cl的正極，電源輸入端負(fù)極接至輸入 電容Cl的負(fù)極。電容C1正極與第一橋臂正端即開(kāi)關(guān)管Sl的集電極（C極）、第二橋臂正端 即開(kāi)關(guān)管S3的漏極值極）相連；開(kāi)關(guān)管Sl的發(fā)射極巧極）與開(kāi)關(guān)管S2的集電極相連， 開(kāi)關(guān)管S3的源極（S極）與開(kāi)關(guān)管S4的漏極相連；第一橋臂中點(diǎn)A、第二橋臂中點(diǎn)B引出 接至高頻隔離變壓器T的原邊；電容Cl負(fù)極與第一橋臂負(fù)端即開(kāi)關(guān)管S2的發(fā)射極、第二橋 臂負(fù)端即開(kāi)關(guān)管S4的源極相連；
[0023] 所述變換器的電源輸出端正極接至輸出電容Cz的正極，電源輸出端負(fù)極接至輸入 電容Cz的負(fù)極；電容Cz正極與第=橋臂正端即開(kāi)關(guān)管S5的集電極、第四橋臂正端即開(kāi)關(guān)管 S7的漏極相連；開(kāi)關(guān)管S5的發(fā)射極與開(kāi)關(guān)管S6的集電極相連，開(kāi)關(guān)管S7的源極與開(kāi)關(guān)管 S8的漏極相連；第=橋臂中點(diǎn)C、第四橋臂中點(diǎn)D引出接至高頻隔離變壓器T的副邊；電容 Cz負(fù)極與第=橋臂負(fù)端即開(kāi)關(guān)管S6的發(fā)射極、第四橋臂負(fù)端即開(kāi)關(guān)管S8的源極相連。
[0024] 在本實(shí)施例中，上述開(kāi)關(guān)管S3、S4、S7、S8為SiC-MOS陽(yáng)T開(kāi)關(guān)管，上述開(kāi)關(guān)管Sl、 S2,S5,S6為Si-IGBT開(kāi)關(guān)管，采用SiC-MOS陽(yáng)T與Si-IGBT共同構(gòu)成混合式橋臂。 陽(yáng)02引開(kāi)關(guān)管SI,S2,S5,S6的口極（G極）連接至對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，其開(kāi)關(guān)狀態(tài)受驅(qū)動(dòng) 電路產(chǎn)生的口極驅(qū)動(dòng)信號(hào)所控制。S3,S4，S7，S8的柵極（G極）連接至對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，其 開(kāi)光狀態(tài)受驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)所控制。
[0026] 開(kāi)關(guān)管S2,S4,S7,S8采用SiC-MOS陽(yáng)T，SiC-MOS陽(yáng)T在開(kāi)關(guān)性能上優(yōu)于現(xiàn)有雙移 相橋拓?fù)涞腟i-IGBT,如圖3曰、圖3b所示，但導(dǎo)通損耗上因其呈現(xiàn)為電阻特性，壓降隨電流 增大線性增大，因此優(yōu)勢(shì)不明顯，尤其在大電流的工況下。
[0027] 為保證由SiC-MOSFET承受開(kāi)關(guān)損耗，本發(fā)明將控制方法進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)調(diào)整開(kāi)關(guān) 管切換時(shí)間ti，t2,實(shí)現(xiàn)第一橋臂和第S橋臂的ZCS軟開(kāi)關(guān)，同時(shí)第二和第四橋臂實(shí)現(xiàn)ZVS 軟開(kāi)關(guān)，從而降低開(kāi)關(guān)損耗，提升整機(jī)效率。在變換器運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)序列W-個(gè)開(kāi)關(guān)周期L 為基本單位進(jìn)行循環(huán)，一個(gè)開(kāi)關(guān)序列共進(jìn)行6次開(kāi)關(guān)切換，切換時(shí)刻分別為tl、t2、172、 tl+lV2、t^V2、L，時(shí)刻0與ti之間的時(shí)間間隔記為T(mén)i，tl與t2之間的時(shí)間間隔記為T(mén)2， 通過(guò)合理設(shè)置T1、T2兩大參數(shù)實(shí)現(xiàn)第一橋臂和第=橋臂的ZCS軟開(kāi)關(guān)，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期只產(chǎn) 生二次開(kāi)關(guān)損耗，且開(kāi)關(guān)損耗全部由SiC-MOSFET開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生；從而實(shí)現(xiàn)降低開(kāi)關(guān)損耗、提 升整機(jī)效率的目的。 陽(yáng)02引其中Tl,T2需滿足如下條件：
[0030] 其中，Udc1、Ud