[发明专利]SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变换器或高电压应用领域，涉及SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相多电平高压变换器。

 

背景技术

SiC（碳化硅）功率开关器件的优势在于具有高压（达数万伏）、高温（大于500℃）特性，突破了硅基功率半导体器件电压（数千伏）和温度（小于150℃）的局限性。迄今为止，国际上已经研发出19.5kV的碳化硅二极管、3.1kV、4.5kV的门极可关断晶闸管、10kV的碳化硅MOSFET和13~15kV碳化硅IGBT等，在未来的几年里，随着产业化进程不断加速，SiC功率开关器件将成为高压、大容量工业应用的主要器件。

“一代器件、一代电力电子拓扑”是电力电子技术发展的一个特征，SiC功率开关器件的发展必然催生一批新的高压变换器的出现，由于SiC功率开关器件的高压特性，可以解决现有硅功率开关器件的串联均压问题，在需要高压大容量应用的电力系统、新能源发电、武器准备、运载设备上广泛应用。然而，SiC功率开关器件的价格较高，全部采用将影响高压变换器的性价比，为此本发明提出一种SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相多电平高压变换器，它即可以降低高压变换器成本，又可以利用硅IGBT构成的电路实现多电平控制。

 

发明内容

本发明提出一种SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相多电平高压变换器，与现有以硅IGBT为主的模块组合多电平变换器（MMC变换器）比较，一是电路简单，减少了元器件，降低了电路成本；二是控制简单，可实现多电平电压输出，谐波小，在高压工业应用中有广阔的前景。本发明通过如下技术方案实现。

SiC功率开关器件与硅IGBT混合式单相高压变换器，其包括2N个低压模块单元、2个高压功率开关器件和4个桥臂电感。混合式单相高压变换器其中一相的上桥臂由N个低压模块单元串联后与第一桥臂电感的一端连接，下桥臂由第二桥臂电感的一端与另外N个低压模块单元依次串联构成，然后第一桥臂电感的另一端与第二桥臂电感的另一端串联；另外一相的上桥臂由1个高压功率开关器件与第三桥臂电感的一端串联构成，下桥臂由第四桥臂电感的一端与另1个高压功率开关器件串联构成，然后第三桥臂电感的另一端与第四桥臂电感的另一端串联。两相上下桥臂电感的连接点构成对应相桥臂的交流输出端，N为正整数。

进一步地，所述低压模块单元由2个带续流二极管的硅IGBT功率开关器件和1个直流电容构成。

进一步地，所述低压模块单元包括第一开关管和第二开关管，第一开关管和第二开关管的两端均与续流二极管连接，第一开关管的正极和直流电容的正极相连接；第一开关管的负极和第二开关管的正极连接，连接点为O₁端；第二开关管的负极与直流电容C_E的负极连接，连接点为O₂端；直流电容上的电压E=V/2N，V为输入直流电源的电压值。

进一步地，所述低压模块单元有4种工作状态，第一种状态是输出电压为E，电流为第一开关管的导通方向；第二种状态是输出电压为E，电流为第一开关管的续流二极管的导通方向；第三种状态是输出电压为0，电流为第二开关管的导通方向；第四种状态是输出电压为0，电流为第二开关管的续流二极管的导通方向。

进一步地，所述的高压功率开关器件采用带续流二极管的SiC功率开关器件。