基于SiC器件的三端口光储变换器研究

发布时间：2020-07-11 00:29

【摘要】：近年来,伴随着全球能源危机与环境污染问题的日益严重,以光伏加储能为代表的可再生能源分布式发电技术被国内外研究工作者广泛关注。相较于传统多级变换器,三端口光储变换器通过功率器件复用实现拓扑重构,减小了系统体积,提升了功率密度。本文将双向Buck-Boost变换器与双有源桥变换器相结合,研究一种新型三端口变换器,其具备了双向Buck-Boost电路的灵活升降压和双有源桥电路功率双向流动的特点,结构简单,适用于各类新能源+储能的独立发电系统。首先对该变换器的工作原理、功率传输特性、损耗模型等进行了分析。采用PWM+移相调制(PWM+PSM)策略,提升系统控制的自由度;同时制定了系统能量控制策略,使输出电压受控,且提升了新能源利用率。在PSIM 9.1.0中搭建仿真模型,验证了所采用的调制方法和能量控制策略。此外,将碳化硅(SiC)MOSFET作为变换器高压侧功率器件,对其在该变换器中的应用技术展开研究。针对SiC MOSFET栅极阈值开启电压低,负压承受能力较弱的特点以及应用中存在的桥臂串扰问题,设计了一种能够稳定工作的新型驱动电路,搭建实验装置验证了其有效性。最后,根据理论指导,设计系统方案构架,对主电路系统中各元件进行了选型和参数计算,实现了SiC MOSFET驱动、调理采样等电路设计。完成了500W功率等级的基于SiC MOSFET的双向Buck-Boost与双有源桥电路集成的三端口变换器实验样机。对三端口变换器主要工作模式进行了测试验证,实验结果表明,变换器样机设计合理,有效,满足了系统验证的要求。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46
【图文】：

关系图,栅极,阈值电压,结温

2.55mJ 1.55mJ 39ns 27ns 出，SiC MOSFET 在驱动与 Si IGBT 在驱率的不同。Si IGBT 栅极允许最大电压为-20V/+20V，+25V。通常为了防止栅极误导通，加强栅的方式，但 SiC MOSFET 的负压承受能力以防止击穿栅极氧化层。虽然二者的开启BT 为 5.7V，但对于 SiC MOSFET，其导通的 VCE(sat)类似，因此当驱动电压通常达到数可知，SiC MOSFET 的阈值电压仅为 2.高的情况下，桥臂串扰易导致其误触发。之间的关系图。

系统结构图,系统结构图,输入电容

SiC MOSFET 所需的驱动功率是小于 Si IGBT。关过程即给输入电容充电的过程，即驱动芯片通过驱动电阻T 的输入电容为 2700pF，SiC MOSFET 的输入电容为 1893pFOSFET 的开关速度更快，结电容充放电速度更快。，对于 SiC MOSFET 驱动电路设计而言，驱动电压和开关速主要因素。路设计要求，选用 Infineon 公司的 1EDI20N12AF 栅极驱动芯片，压器隔离的单通道栅极驱动芯片，最大能够实现4A轨到轨峰内部系统结构。其中 VCC1 为逻辑电源输入引脚，GND1 为C1-GND1=（+3.1V~+17V）的宽电压输入；IN+和 IN-为逻辑 PCMOS 输出电平；VCC2 为输出侧正端电源输入引脚，GND2OUT+为栅极输出 Source 端，通常连接至开关管的栅极开通端，通常连接开关管的栅极关断电阻，这两个引脚受 IN+及 IN图如图 4-4 所示。

对比图,功能测试,调理电路

t:250ns/divt:1us/div(a) SR1 开通 (b) SR1 关断(a) SR1 Turn-on (b) SR1 Turn-off图 5-8 桥臂串扰抑制效果Fig. 5-8 Bridge crosstalk suppression effect由图 5-8 对比图 5-6 可以看出，在加入串扰抑制电路后，SR1 开通及关断时的栅源电压振荡有效减小，由于 SR2 开通引起的-dVds_SR1/dt 导致 SR1 上的负压尖峰也明显减，SR1 开通引起 SR2 的正向电压振荡也有所减小，证明该电路能够有效减轻桥臂串扰题。3.2 采样调理电路测试实验调理运放电路测试结果如图 5-10 所示。图中，采用频率为 1kHz，Vap=±4.4V 的正电压信号模拟采样输入电压 Upv_in，Upv_mc为调理运放 TLV316 的输出电压。由图 5-9(a)见采样输出电压经过调理电路后，被缩小至±3.3V 左右，经过一级滤波后，输出电压波显著显小，且调理电压相位无延迟，满足高速 ADC 采样的精准性。后续在调理电输出侧加入钳位保护电路后，如图 5-9(b)所示，负压被钳位至 0V，仅将 0V~+3.3V 区的模拟电压信号传输至 DSP，有效保护 A/D 采样引脚。

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