一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器及其电流控制方法

本发明涉及一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器及其电流控制方法。

背景技术：

1、近年来，宽禁带功率半导体器件的快速发展推动了电力电子领域的重大进步，其广泛应用于数据中心、电动汽车和光伏等场合。碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管等代表性器件提供了优异的开关特性，从而显著提高了效率并降低了损耗。然而，宽禁带技术在电力电子中的大规模应用面临两个重大挑战：高成本和有限的功率等级。例如，碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管的当前价格是硅基绝缘栅双极型晶体管的3-8倍。目前，单个碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管的最大额定电流显著低于硅基绝缘栅双极型晶体管。成本和电流等级阻碍了宽禁带器件在大功率场合的广泛应用。

2、为了解决这个问题，许多研究人员提出了混合概念，以充分利用硅和碳化硅器件的优势。他们将变换器中的碳化硅支路仅处理额定功率的一小部分，同时保持其高频优势。同时，硅器件支路在较低的开关频率下处理大部分额定功率，研究主要集中在直流-直流变换中。然而，适用于三相大功率直流/交流变换场合的多电平拓扑有待挖掘，同时如何实现混合器件之间的协同工作亟待突破。

3、文献“l.zhang et al.,"a si/sic hybrid five-level active npc inverterwith improved modulation scheme,"in ieee transactions on power electronics,vol.35,no.5,pp.4835-4846,may 2020.”提出了一种硅与碳化硅混合五电平变换器。通过特定的调制方式，硅器件工作在基频或低频，而碳化硅器件工作在载波频率(高频)。该变换器具有损耗小、成本低等优点。然而，电路中的碳化硅器件需要与硅器件具有相同的额定电流，并且这个拓扑不能扩展到三相逆变器应用，特别是在大功率场景中。

4、文献“c.zhang et al.,"wbg and si hybrid half-bridge power processingtoward optimal efficiency,power quality,and cost tradeoff,"in ieeetransactions on power electronics,vol.37,no.6,pp.6844-6856,june 2022.”提出了一种宽禁带器件与硅器件的混合半桥拓扑。此拓扑实现了效率、电能质量、成本的折中。然而，该拓扑依然无法适用于三相大功率直流-交流变换场合。

技术实现思路

1、本发明提出了一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器及其电流控制方法。根据提出的协调电流补偿控制方法，硅桥臂工作在低开关频率并承担主要功率，碳化硅桥臂工作在高开关频率，用于补偿硅基桥臂电流纹波和承担次要功率。一方面，与全碳化硅变换器相比，由于采用了数量更少、电流等级更低的碳化硅器件，该变换器的成本更低。另一方面，与全硅基变换器相比，由于降低了硅器件开关频率，减少了硅器件开关损耗，同时电路工作在较高的等效开关频率下，可实现极佳的电能质量和较小的滤波器尺寸。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器，拓扑结构如下：包括正直流母线功率端子、负直流母线功率端子、两个直流母线电容、结构完全相同且相互并联的第a相电路、第b相电路和第c相电路，以及三个交流侧输出端子；每一相电路包括一个硅基桥臂、一个硅基桥臂滤波电感、一个碳化硅基桥臂、一个碳化硅基桥臂滤波电感；

4、两个直流母线电容串联连接，所述第a相电路、第b相电路和第c相电路共用两个直流母线电容；所述硅基桥臂采用三电平有源中性点箝位电路结构；针对每一相电路，所述硅基桥臂滤波电感一侧连接至硅基桥臂交流端，另一侧连接至交流侧输出端子；所述碳化硅基桥臂上桥臂漏极连接到正直流母线功率端子，上桥臂源极连接到下桥臂漏极，下桥臂源极连接到负直流母线功率端子；所述碳化硅基桥臂滤波电感一侧连接至碳化硅基桥臂上下桥臂公共端，另一侧连接至交流侧输出端子。

5、上述技术方案中，进一步地，所述硅基桥臂使用六个绝缘栅双极型晶体管，所述碳化硅基桥臂使用两个金属氧化物半导体场效应晶体管，所述绝缘栅双极型晶体管的电流等级大于金属氧化物半导体场效应晶体管。

6、进一步地，针对每一相电路，所述硅基桥臂的绝缘栅双极型晶体管q1x、q6x的门极共用一组信号，所述硅基桥臂的绝缘栅双极型晶体管q5x、q4x的门极共用一组信号，且两组门极信号互补，所述绝缘栅双极型晶体管q1x、q5x、q6x、q4x的开关频率为50hz；所述硅基桥臂的绝缘栅双极型晶体管q2x、q3x的门极信号互补且开关频率为1-2khz；所述碳化硅基桥臂的金属氧化物半导体场效应晶体管q7x、q8x的栅极信号互补且开关频率为50-100khz；其中，x为a、b和c，分别代表第a相电路、第b相电路和第c相电路。

7、本发明还提供一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器的电流控制方法，所述硅基桥臂工作在1-2khz开关频率并承担主要功率，碳化硅基桥臂工作在50-100khz开关频率，用于补偿硅基桥臂电流纹波和承担次要功率。

8、更进一步地，所述控制方法具体为：所述硅基桥臂的滤波电感值l1a＝l1b＝l1c＝l1，三相总电流的给定值为iabc_ref，引入分流系数k，0＜k＜1；硅基桥臂的三相电流给定值为iabc_ref_si＝kiabc_ref，用于处理主要功率；硅基桥臂的三相电流给定值通过坐标变换从abc静止坐标系变换至dq旋转坐标系，得到硅基桥臂dq轴电流给定值idref_si与iqref_si，采样得到硅基桥臂dq轴电流实际值id_si与iq_si，计算得到硅基桥臂dq轴电流给定值与实际值的差值，通过闭环电流控制得到硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_si；将硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_si与载波比较，得到硅基桥臂各绝缘栅双极型晶体管的开关状态。

9、所述碳化硅基桥臂的三相电流给定值为iabc_ref_sic＝(1-k)iabc_ref+δiabc_comp，其中(1-k)iabc_ref用于处理次要功率；δiabc_comp＝iabc_ref_si-iabc_si为碳化硅基桥臂的电流纹波补偿值，用于补偿硅基桥臂的电流纹波，其中，iabc_si为硅基桥臂三相电流采样值；采样得到碳化硅基桥臂三相电流实际值iabc_sic，基于碳化硅基桥臂给定值与实际值的差值，通过高频控制器得到碳化硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_sic；将碳化硅基桥臂三相电压调制波vabc_ref_sic与载波比较，得到碳化硅基桥臂各金属氧化物半导体场效应晶体管的开关状态。

10、相对于现有技术，本发明具有以下优点：

11、本发明的一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器，与全碳化硅变换器相比，由于采用了数量更少、电流等级更低的碳化硅器件，成本更低；与全硅基变换器相比，由于降低了硅器件开关频率，减少了硅器件开关损耗。同时本发明的一种三相混合器件叠加混合桥臂变换器的电流控制方法，由于电路工作在较高的等效开关频率下，因此可实现极佳的电能质量和较小的滤波器尺寸。