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一种碳化硅与硅器件混合型三电平有源中点钳位零电压转换软开关变流器

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admin 发表于 2024-12-14 02:42 | 查看全部 阅读模式

文档名:一种碳化硅与硅器件混合型三电平有源中点钳位零电压转换软开关变流器
摘要:该文提出一种碳化硅与硅(SiC&Si)器件混合型三电平有源中点钳位零电压转换(3L-ANPCZVT)变流器拓扑.该拓扑中每相主电路采用两个SiCMOSFET器件工作在高频,其余主电路开关为Si器件工作在低频,通过辅助电路使得SiC器件工作在ZVT软开关条件下,进一步降低SiCMOSFET高频开关损耗和开关应力.拓扑中辅助电路开关采用Si器件且仅在主器件换相过程工作,具有额定电流小且无开关损耗的特点.该文首先介绍该软开关变流器的电路拓扑结构和工作原理,并给出辅助电路参数的优化设计过程.然后基于双脉冲测试数据对变流器进行损耗建模,分析对比不同开关频率下硬开关和软开关有源中点钳位三电平变流器的损耗分布和效率变化,揭示所提出的软开关变流器拓扑在高开关频率下可以有效改善变流器的效率.最后通过搭建的单相变流器实验平台验证上述分析结论的正确性.

Abstract:Improvingpowerdensityandefficiencyisacurrentdevelopmenttrendinthenewenergygenerationsystem.Thisobjectivecanbeachievedbyreducingsystemswitchinglossesandincreasingswitchingfrequency.Comparedwithsilicon(Si)devices,siliconcarbide(SiC)widebandgapsemiconductordeviceshavetheadvantagesoflowlossesandhighjunctiontemperature,whichcaneffectivelyimprovetheefficiencyandswitchingfrequencyofconvertersandhaveemergedasaprominenttopicinrecentacademicresearch.However,thecostofSiCdevicesisstillseveraltimeshigherthanthatofSidevices.Asaresult,realizinganall-SiCconverterinthethree-levelactive-neutral-point-clamped(3L-ANPC)topologyforcostreasonsischallenging.Consequently,theindustryhasproposedahybridconfigurationincorporatingSiCandSidevicestoenhanceconverterefficiencyandpowerdensityandcontrolcosts.Inaddition,theuseofSiC-widebandgapsemiconductordevicescanleadtosevereswitchingovervoltageandelectromagneticinterferenceissues.Furthermore,athigherswitchingfrequencies,suchas100kHz,thehard-switchinglosseswithSiCdevicescanbesignificant,hinderingfurtherimprovementsinconverterefficiencyandpowerdensity.Asasolutiontothesechallenges,researchershaveproposedtheuseofsoft-switchingtechnology.Ahybrid3L-ANPCzero-voltagetransition(ZVT)soft-switchingconverterbasedonSiCandSideviceswasproposed.BasedonthetwoSiCMOSFETdevices'hybrid3L-ANPCconvertertopology,themaincircuitSiCdevicesandtheauxiliarycircuitSidevicescanachievesoft-switchinginthefullpowerrangewithanauxiliarycircuit,thusimprovingconverterefficiencywhileconsideringitseconomy.Firstly,thecircuittopologyandworkingmechanismoftheproposed3L-ANPCZVTsoft-switchingconverterwereillustrated.Themaincircuit'smodulationstrategyisdesignedtooperatetheouterswitchesandclampingswitchesinthelinefrequency.Theinnerswitchesoperateathighfrequencytoleveragethebenefitsofthehigh-speedswitchingofSiCMOSFETsandconcentratetheswitchinglossesontheinnerswitches.TheauxiliarycircuitonlyworksduringtheswitchtransitionprocesstoassisttheinnerswitchesinachievingZVTandreducingswitchinglosses.Secondly,anoptimizeddesignprocesswasformulatedfortheauxiliaryswitchingtimingandauxiliarycircuitparameterstofacilitatethesuccessfulimplementationofsoft-switchinginpracticalapplications.Thirdly,theswitchingandcommutationcharacteristicsofthedeviceswereobtainedunderhard-switchingandsoft-switchingconditionsbydouble-pulsetest.Basedontheexperimentalresults.Alossmodelfortheconverterwasbuilt,andacomparisonwasconductedbetweenthedistributionoflossesandtheefficiencychangesofthesoft-switchingconverterandatraditionalhard-switchingconverter.Finally,anexperimentalplatformof10kW/100kHzwasestablishedtoverifytheproposed3L-ANPCZVTsoft-switchingconverter.Thetheoreticalanalysisandexperimentalresultsshowthattheproposed3L-ANPCZVTsoft-switchingconvertercanimprovetheefficiencyoftheconverterataswitchingfrequencyabove20kHz,increasingtheefficiencyfrom96.63%ofthehard-switchingto97.42%attheswitchingfrequencyof100kHz.

作者:李锦   党恩帅   范雨顺   董航飞   刘进军 Author:LiJin   DangEnshuai   FanYushun   DongHangfei   LiuJinjun
作者单位:上海电力大学电气工程学院上海200090江苏中天科技股份有限公司南通226463西安交通大学电气工程学院西安710049
刊名:电工技术学报
Journal:TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety
年,卷(期):2024, 39(8)
分类号:TM46
关键词:损耗建模  逆变器  软开关  零电压转换  多电平变流器  
Keywords:Lossesmodeling  inverter  soft-switching  zero-voltagetransition  multilevelconverter  
机标分类号:TM464TN31TN402
在线出版日期:2024年4月29日
基金项目:一种碳化硅与硅器件混合型三电平有源中点钳位零电压转换软开关变流器[
期刊论文]  电工技术学报--2024, 39(8)李锦  党恩帅  范雨顺  董航飞  刘进军该文提出一种碳化硅与硅(SiC&Si)器件混合型三电平有源中点钳位零电压转换(3L-ANPCZVT)变流器拓扑.该拓扑中每相主电路采用两个SiCMOSFET器件工作在高频,其余主电路开关为Si器件工作在低频,通过辅助电路使得SiC器件...参考文献和引证文献
参考文献
引证文献
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一种碳化硅与硅器件混合型三电平有源中点钳位零电压转换软开关变流器.pdf
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