基于SiC功率器件的光伏系统DC-DC设计

发布时间：2017-09-03 23:33

  本文关键词：基于SiC功率器件的光伏系统DC-DC设计

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【摘要】：目前全世界光伏发电产业发展迅速,产生的电能需要通过完善的并网系统才能接入电网使用。在这个并网系统中,升压DC-DC和逆变是两个基础环节,前者完成光伏阵列直流电压和逆变所需直流电压之间的转换和匹配,后者完成直交转换进行电网馈入。在整个逆变系统转换过程中,为了使得电能更经济地进行传输,效率是最主要的考量因素;而DC-DC调整器在此系统中作为光伏阵列和逆变装置之间的纽带,它的性能是提高能量转换效率的关键。在DC-DC电路中,开关器件在开关过程中会产生能量消耗,从而使能量的转换效率降低,产生损耗的同时也会使设备大量发热,降低设备的使用寿命。为了降低开关器件的开关损耗,各种软开关技术被开发出来。利用ZVT软开关技术可以大大降低大功率电能变换装置中电力器件的开关损耗,进而提升整体效率。本文在研究软开关技术的基础上,利用SiC材料的优良特性,将碳化硅功率MOSFT以及基于SiC材料的肖特基二极管应用在调整器的设计中,其一,降低在电流较大地的情况下功率器件的的导通损耗;其二,由于SiC器件热损耗小、散热快、耐高温,功率器件所需散热片的体积可以得到缩减,从而提高设备的功率密度。本文完成的主要工作是在Si C功率MOSFET的理论分析基础上,设计了基于Si C材料的大功率ZVT PWM Boost调整器的主电路。对基本功率主电路的结构做了有效改进,并对元件进行了合理选取和参数优化设计。针对主电路的结构和应用要求,完成了控制驱动模块的设计。使用仿真软件Cadence OrCAD对所设计的主电路和控制驱动电路进行仿真实验,实现了电路的功能。通过仿真方法分别研究了基于Si C功率器件的变换器的转换效率和基于Si功率器件的变换器的转换效率,并对两个转换效率进行了对比。工作于4kW,负载电流为10A时,基于SiC功率器件的变换器效率为98.15%,相比基于Si功率器件的变换器效率提升了3.15%;为了降低输出过冲电压,本文还在控制驱动模块中,验证了一种简便高效的软启动控制电路,使得主电路在100V到400V的大电压大升压比的情况下,过冲电压为零,启动时间最短可以达到15ms,这对于高压设备安全性的提高有重要作用。基于SiC功率器件的变换器效率得到提升的同时,由于功率器件热损耗减小,所需散热片面积约为基于Si功率器件的变换器的1/5,大大减小了变换器体积。本文最后制作了整体样机,并进行了功能测试,控制板所产生的控制信号可靠稳定,验证了仿真结果,证实了该控制方案的可行性,同时,由于实验设备的原因,在变换器工作于约2kW,负载电流约为4.7A的状态下,测试了其转换效率,实验结果表明效率可达97.4%,相比Si功率器件有明显提高,验证了SiC功率器件在提高设备转换效率方面的优势。
【关键词】：光伏系统 ZVT PWM Boost变换器 SiC功率MOSFET 转换效率
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN386;TM46
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 符号对照表12-13
• 缩略语对照表13-17
• 第一章 绪论17-23
• 1.1 光伏发电及光伏并网系统17-19
• 1.2 DC-DC及其研究难点19-20
• 1.3 SiC材料及SiC功率器件应用20-21
• 1.4 本文工作要点21-23
• 第二章 SiC功率MOSFET性能分析23-31
• 2.1 功率MOSFET及其动态特性分析23-27
• 2.1.2 MOSFET的开关等效电路23-24
• 2.1.3 MOSFET开关过程分析24-26
• 2.1.4 功率MOSFET驱动电路分析26-27
• 2.2 其他电力电子器件27-28
• 2.2.1 双极性大功率晶体管及其驱动电路27
• 2.2.2 IGBT及其驱动电路27-28
• 2.3 SiC功率MOSFET相比Si MOSFET和IGBT的优势28-30
• 2.3.1 SiC功率MOSFET和Si功率MOSFET比较28-29
• 2.3.2 SiC功率MOSFET和IGBT比较29
• 2.3.3 SCH2080KE和SCS220KE性能介绍29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 Boost电路及软开关技术分析31-43
• 3.1 DC-DC基本原理31-32
• 3.1.1 DC-DC功率主电路31
• 3.1.2 DC-DC基本控制方式31-32
• 3.2 Boost电路分析32-35
• 3.2.2 Boost电路工作原理分析33
• 3.2.3 Boost电路基本关系式33-35
• 3.3 软开关技术原理35-39
• 3.3.1 软开关概念和基本原理35-36
• 3.3.2 几种常见的软开关电路36-37
• 3.3.3 零转换软开关电路分析37-39
• 3.4 电路设计基本方案选择39-41
• 3.4.1 主电路方案选择39
• 3.4.2 控制电路方案选择39-41
• 3.5 本章小结41-43
• 第四章 ZVT-PWM Boost变换器设计和仿真分析43-67
• 4.1 功率主电路的设计43-46
• 4.1.1 电路拓扑结构的改进43-45
• 4.1.2 主要元件选择和参数设计45-46
• 4.2 控制电路设计46-53
• 4.2.1 PWM脉冲产生模块47-48
• 4.2.2 控制信号产生电路48-50
• 4.2.3 过流保护电路50-51
• 4.2.4 软启动电路51-53
• 4.3 驱动电路设计53-55
• 4.3.1 驱动电路设计要求及参数计算53-54
• 4.3.2 驱动电路设计54-55
• 4.4 电路仿真分析55-65
• 4.4.1 控制电路仿真56-57
• 4.4.2 驱动电路仿真57-58
• 4.4.3 功率主电路的仿真58-63
• 4.4.4 效率分析63-64
• 4.4.5 和基于Si材料的电路规模对比64-65
• 4.5 本章小结65-67
• 第五章 ZVT-PWM Boost变换器样机制作和测试67-81
• 5.1 样机制作67-69
• 5.2 控制电路板测试69-76
• 5.2.1 PWM脉冲产生模块测试69-71
• 5.2.2 控制信号产生模块测试71-73
• 5.2.3 过流保护电路测试73-75
• 5.2.4 软启动电路测试75-76
• 5.3 功率主电路板测试76-79
• 5.4 测试结果分析说明79-80
• 5.5 本章小结80-81
• 第六章 总结和展望81-83
• 6.1 总结81-82
• 6.2 展望82-83
• 参考文献83-85
• 致谢85-87
• 作者简介87-88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 杜道昶;田丽;赵明敏;包伟;陈勇;;新型高增益Boost变换器设计[J];陕西理工学院学报(自然科学版);2015年01期

2 陈林贵;;Boost ZVT-PWM变换器在光伏逆变器中的应用[J];科技信息;2014年15期

3 张厚升;李素玲;于兰兰;王红梅;;H型可逆PWM变换器的控制方式解析[J];电源世界;2013年11期

4 赵秀芬;吕静;孙志平;;基于Pspice的ZCT-PWM Boost变换器仿真分析[J];北京工业职业技术学院学报;2013年03期

5 梁U，

本文编号：788042