[发明专利]一种基于ANPC的混合功率器件双有源桥DC/DC变换器

说明书

本发明公开了一种基于ANPC的混合功率器件双有源桥DC/DC变换器，属于电力电子领域，包括混合器件优化移相控制器、变压器以及连接在变压器两侧且分别处于逆变和整流状态的两个半桥ANPC三电平电路；半桥ANPC三电平电路包括两个直流电容和六个开关管，每个开关管反向并联有二极管，直接与直流母线正负极相连的两个开关管为SiC管，其余开关管为Si管，混合器件优化移相控制器用于控制两个半桥ANPC三电平电路的移相角及二者之间的移相角，使得当半桥ANPC三电平电路的输出端在P状态、O状态与N状态之间切换时，切换过程中的硬开通发生在SiC管中。利用两个SiC管实现全部变换器中的硬开关动作，降低硬开关损耗，在较低成本下实现高开关频率、高效率、高功率密度的变换器。

技术领域

本发明属于电力电子领域，更具体地，涉及一种基于ANPC的混合功率器件双有源桥DC/DC变换器。

背景技术

双有源桥(Dual Active Bridge，DAB)DC/DC变换器具有电气隔离、功率密度高、能量双向流动、易于实现软开关等优点，在直流配电网、储能系统、电动汽车等领域有着广泛的应用。如果DAB采用多电平电路来实现，可有效地减少DC/DC变换器中DAB模块的数量，还可大幅提升DAB的性能。目前已有研究将飞跨电容型三电平、T型三电平、二极管中点箝位型(Diode Neutral Point Clamped，DNPC)三电平、有源中点箝位型(Active Neutral PointClamped，ANPC)三电平和混合箝位型三电平等拓扑应用于DAB中。ANPC采用有源开关管进行电压箝位，开关器件耐压较小，但由于开关器件多、冗余开关状态多，调制方法难以设计，目前研究较少。

提高DAB的开关频率可以有效降低磁性元件的体积和重量，但是会导致开关损耗大幅上升。对于三电平电路，由于其开关数量多，损耗增加尤其明显，这会导致变换器的效率降低，散热系统的体积及成本上升。在Si器件中，MOSFET常用于母线电压较低的场合，其关断损耗远小于其开通损耗；而IGBT的开通损耗和关断损耗虽然相近，但由于其硬开通过程会导致对管的反并联二极管发生反向恢复过程并产生相应的反向恢复损耗，因此其硬开通带来的损耗往往大于硬关断带来损耗。综上所述，如果能避免Si器件工作在硬开通状态下，就可以大幅地降低开关损耗，提高系统效率。

目前，DAB的软开关控制方法都是实现开关管的全软开通。但是，在电压不匹配的情况下，DAB的软开关范围大幅降低。并且，电压不匹配时若在轻载下仍要求实现全软开关，会导致电感电流的大幅增加，导致通态损耗大幅增加，从而使得效率严重降低。

宽禁带器件具有低开关损耗、高开关频率的优点。目前宽禁带器件(例如SiC器件)的成本仍居高不下。已有研究中DAB的任意一侧桥臂内都只采用单一种类的开关器件。采用Si器件时，受限于Si开关器件的性能，难以实现高开关频率、高效率的DAB。而采用SiC器件时，单个ANPC桥臂就需要6个开关管，整体开关器件数量巨大，这导致多电平的DAB采用SiC器件实现时成本极为高昂、难以实现大规模的商业化推广应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于ANPC的混合功率器件双有源桥DC/DC变换器，其目的在于在实现低电感电流应力的同时，降低Si器件上的硬开通损耗，在较低成本下实现高开关频率、高效率、高功率密度的变换器，从而实现高性价比的双有源桥变换器。