[發明專利]SiC功率開關器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器

有效

• 申請號: 201410073361.9
• 申請日: 2014-02-28
• 公開（公告）號: CN103825483B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發明（設計）人: 張波;丘東元
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H02M7/49
• 分類號: H02M7/49
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明屬于電力電子變換器或高電壓應用領域，涉及SiC功率開關器件與硅IGBT混合式單相多電平高壓變換器。

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背景技術

SiC（碳化硅）功率開關器件的優勢在于具有高壓（達數萬伏）、高溫（大于500℃）特性，突破了硅基功率半導體器件電壓（數千伏）和溫度（小于150℃）的局限性。迄今為止，國際上已經研發出19.5kV的碳化硅二極管、3.1kV、4.5kV的門極可關斷晶閘管、10kV的碳化硅MOSFET和13~15kV碳化硅IGBT等，在未來的幾年里，隨著產業化進程不斷加速，SiC功率開關器件將成為高壓、大容量工業應用的主要器件。

“一代器件、一代電力電子拓撲”是電力電子技術發展的一個特征，SiC功率開關器件的發展必然催生一批新的高壓變換器的出現，由于SiC功率開關器件的高壓特性，可以解決現有硅功率開關器件的串聯均壓問題，在需要高壓大容量應用的電力系統、新能源發電、武器準備、運載設備上廣泛應用。然而，SiC功率開關器件的價格較高，全部采用將影響高壓變換器的性價比，為此本發明提出一種SiC功率開關器件與硅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構成的電路實現多電平控制。

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發明內容

本發明提出一種SiC功率開關器件與硅IGBT混合式單相多電平高壓變換器，與現有以硅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，可實現多電平電壓輸出，諧波小，在高壓工業應用中有廣闊的前景。本發明通過如下技術方案實現。

SiC功率開關器件與硅IGBT混合式單相高壓變換器，其包括2N個低壓模塊單元、2個高壓功率開關器件和4個橋臂電感。混合式單相高壓變換器其中一相的上橋臂由N個低壓模塊單元串聯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個低壓模塊單元依次串聯構成，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；另外一相的上橋臂由1個高壓功率開關器件與第三橋臂電感的一端串聯構成，下橋臂由第四橋臂電感的一端與另1個高壓功率開關器件串聯構成，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。兩相上下橋臂電感的連接點構成對應相橋臂的交流輸出端，N為正整數。

進一步地，所述低壓模塊單元由2個帶續流二極管的硅IGBT功率開關器件和1個直流電容構成。

進一步地，所述低壓模塊單元包括第一開關管和第二開關管，第一開關管和第二開關管的兩端均與續流二極管連接，第一開關管的正極和直流電容的正極相連接；第一開關管的負極和第二開關管的正極連接，連接點為O₁端；第二開關管的負極與直流電容C_E的負極連接，連接點為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。

進一步地，所述低壓模塊單元有4種工作狀態，第一種狀態是輸出電壓為E，電流為第一開關管的導通方向；第二種狀態是輸出電壓為E，電流為第一開關管的續流二極管的導通方向；第三種狀態是輸出電壓為0，電流為第二開關管的導通方向；第四種狀態是輸出電壓為0，電流為第二開關管的續流二極管的導通方向。

進一步地，所述的高壓功率開關器件采用帶續流二極管的SiC功率開關器件。