[发明专利]基于Si-IGBT和SiC-MOSFET混合开关的串联谐振型双有源桥变换器

说明书

一种基于Si‑IGBT和SiC‑MOSFET混合开关的串联谐振型双有源桥变换器，由两个H桥、谐振电感、谐振电及变压器组成，两个H桥的开关器件为Si‑IGBT和SiC‑MOSFET并联组成的混合开关模块。通过对混合开关中Si‑IGBT和SiC‑MOSFET的开关时序进行优化，正常导通时Si‑IGBT流通大电流而SiC‑MOSFET通小电流，本发明的控制方法可提高变换器的效率、可靠性和灵活性。

技术领域

本发明涉及一种混合开关串联谐振型双有源桥变换器。

背景技术

近年来，太阳能、风能为代表的可再生能源得到了广泛的关注和快速发展， 串联谐振型双有源桥变换器具有实现不同电气节点之间能量的双向流动、简单 高效、功率密度高的特点，且电路工作电流近似为正弦电流，器件开关瞬间电 流近似为零，装置的效率较高，是能量路由器的关键装置，也因此成为了研究 焦点，但是传统的基于Si-IGBT的谐振型双有源桥变换器的效率和可靠性还有 提升空间。

碳化硅器件以其开关频率高：比同规格的Si-IGBT快一个数量级、开关损 耗低：比同规格Si-IGBT小一个数量级等优异特性吸引了众多研究者的目光， 具有广阔的发展前景。但是，目前SiC-MOSFET依然存在以下两个问题：载流 能力低，受限于工艺水平，SiC-MOSFET的单芯片载流能力远不如Si-IGBT； 成本高，据文献SiC-MOSFET是同规格Si-IGBT价格的5-10倍。为了提升变 换器的效率，有专家和学者提出了混合开关，即将SiC-MOSFET和Si-IGBT并 联混合使用。

由于混合开关模块的两只开关管是并联的，Si-IGBT的集射极之间电压Uce 和SiC-MOSFET的漏源极之间电压Uds相等，Si-IGBT随着Uce的增大，集电 极电流Ice增大速度越来越快，而SiC-MOSFET的漏源极电流Ids随着Uds的 增大而平缓上升。电流较小时，主要从SiC-MOSFET流过，电流较大时，主要 从Si-IGBT的流过。引入混合开关模块，装置的开关损耗将主要集中在SiC- MOSFET上，同时系统的控制方式更加灵活，可靠性进一步增强。

SiC-MOSFET存在的问题是通流能力弱，造价高。使用混合开关器件，在 相同容量下会导致装置成本的上升，这是由于提高装置效率和可靠性而产生的。 专利CN201711442097.1和CN201711475192.1等没有解决SiC-MOSFET的过 流问题，从而导致其容易损坏，或者说是装置无法运行在大容量下。而在低容 量小电流下，现有的SiC-MOSFET基本能够满足需求，没有使用混合开关的必 要。

发明内容

本发明的目的克服现有技术的缺点，提高基于Si-IGBT串联谐振型双有源 桥变换器效率和可靠性，提出一种基于Si-IGBT和SiC-MOSFET混合开关的串 联谐振型双有源桥变换器。本发明并联使用Si-IGBT和SiC-MOSFET，利用宽 禁带半导体SiC-MOSFET的高开关速度和低开关损耗的特点，提升双有源桥变 换器的效率，同时使双有源桥变换器的控制方式更加灵活，可靠性提高。

本发明的混合开关串联谐振型双有源桥变换器由第一H桥、第二H桥、高 频隔离变压器T、谐振电感Lr、谐振电容Cr及直流稳压电容C1、C2组成。在 现有的串联谐振型双有源桥变换器拓扑基础上，采用Si-IGBT和SiC-MOSFET 的混合开关模块作为H桥的开关器件，其中Si-IGBT和SiC-MOSFET均自带反 并联二极管；第一H桥的直流端DC1、第二H桥的直流端DC2是本发明变换 器与外部电路连接的接口，第一H桥的直流端DC1和第二H桥直流端DC2分别与直流稳压电容C1和C2并联。电容C1、C2的作用是稳定DC1、DC2两端 的电压。