電力電子變壓器用混合三電平雙向DC/DC 功率模塊設計

張茂強，駱仁松，汪 濤，文繼鋒

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

在高壓柔性直流輸電、無功補償等需要電力電子變壓器接入中、高電壓應用的領域，由于功率半導體器件的耐壓、通流能力、開關頻率等存在限制，系統大多采用模塊化級聯多電平結構［1］。系統級聯模塊數量多，控制系統和閥結構復雜，系統運行可靠性相對不高。

在電力電子變壓器應用中，功率傳輸效率是重要的參數指標之一。因此，當前示范應用的工程項目中大多引入SiC MOSFET 器件。相對于Si IGBT 器件，SiC MOSFET 的開關速度更快，開關損耗和通態損耗更低，運行結溫更高。采用SiC MOSFET 的電力電子變壓器效率接近傳統變壓器。

但目前商用SiC MOSFET 的耐壓等級多在1 200 V及以下水平，電力電子變壓器系統中的模塊工作電壓較低，模塊數量較多，與傳統變壓器相比，尺寸和功率密度不占優勢，性價比不高。

對比傳統電力電子變壓器雙有源全橋拓撲結構［1-4］，將三電平電路引入電力電子變壓器高壓側逆變模塊，低壓側整流模塊仍采用全橋拓撲結構，并經變壓器隔離組成雙向混合三電平電路拓撲。在只增加少量二極管的基礎上，實現了高壓側功率模塊工作直流電壓翻倍，達到系統級聯模塊數量減半的效果。

1 電路原理分析

1.1 高壓側拓撲對比分析設計

提升電力電子變壓器高壓側模塊直流電壓的方式較多，以系統高壓側直流電壓±10 kV DC 為例，分別將傳統全橋拓撲方案與提升電壓適用的其他方案對比，如表1 所示。

表1 電力電子變壓器高壓側逆變拓撲對比

傳統全橋拓撲方案采用目前廣泛商用的1 200 V耐壓等級SiC MOSFET 器件，在直流側工作電壓750 V 的情況下，系統所需功率模塊數量達到27 個，在所有方案中尺寸最大，硬件系統及控制系統最為復雜。

SiC 器件更換方案與傳統全橋拓撲方案的主電路拓撲一致，只是將低壓SiC 器件更換為高壓SiC器件。文獻［5-7］提到，高壓SiC 器件的耐壓等級為3.3 kV、10 kV 及15 kV，既包括SiC二極管、SiC MOSFET，也包含SiC IGBT。但是這些高壓器件多應用于實驗室樣機和極個別示范工程中［5-7］，尚無量產信息。個別廠商推出的3.3 kV SiC MOSFET 模塊價格極其高昂，也不具備量產條件。

低壓SiC MOSFET 串聯方案是用串聯的低壓SiC MOSFET 等效為1 個高壓SiC 器件。功率半導體串聯需要解決動靜態均壓及保護控制問題，在SiC器件高頻應用中，對驅動電路和控制保護電路要求較高，存在較大的技術風險，且該電路中所用器件數量較多，成本相對較高。

三電平拓撲方案是推薦使用的方案。該電路應用技術成熟，結構簡單，相比傳統全橋拓撲方案，僅增加2 個鉗位二極管，成本較低，但可將模塊高壓側的工作電壓提高一倍，系統中功率模塊的數量減少一半，性價比較高。在應用中要注意上下電容的平衡，電容電壓的失衡將導致變壓器的磁偏飽和。

1.2 混合三電平電路工作原理分析

混合三電平雙向DC／DC 功率模塊電路拓撲結構如圖1 所示。圖中，2Ui和Uo分別為高壓側、低壓側直流電壓；CA和CB為高壓側直流上、下電容；Q1—Q4為高壓側三電平電路的SiC MOSFET 器件；QD1—QD4分別為高壓側SiC MOSFET 的反并聯二極管；D1和D2為高壓側三電平電路的鉗位二極管；T1—T4為低壓側全橋電路SiC MOSFET；TD1—TD4為低壓側SiC MOSFET 的反并聯二極管；TR 為隔離變壓器；LS為移相電感；Co為低壓側直流電容。規定電流由A點流向B 點為正，變壓器變比為n∶1；ULs為移相電感電壓；iLs為移相電感電流，定義其正方向如圖1 所示；UAB是高壓側A、B 兩點電壓；UCD是低壓側C、D兩點電壓值；U′CD是UCD折算到高壓側的電壓值。

由于電流在1 個開關周期內正負對稱，工作模式也一致，因此，只在半個開關周期對混合三電平功率電路的工作模態及波形進行分析，如圖2 和圖3 所示。

圖1 混合三電平功率電路拓撲結構

圖2 混合三電平功率電路工作模態分析

1）工作模態1（圖3 中t0—t1時段）。t0時刻，電流為負，高壓側電流流經QD1、QD2，為Q1、Q2的零電壓開通提供條件；低壓側電流流經TD2、TD3，為T2、T3的零電壓開通提供條件。t0—t1時段內，電流線性增長。電感電壓表達式為

圖3 混合三電平功率電路主要波形

2）工作模態2（圖3 中t1—t2時段）。t1時刻，電感電流過零為正，高壓側電流流經Q1、Q2；低壓側電流流經T2、T3。電感電壓為正，電感電流線性增長。電感電壓表達式與式（1）一致。

3）工作模態3（圖3 中t2—t3時段）。t2時刻，T2關斷，電流換向至TD1，為T1提供零電壓開通條件。高壓側電流路徑與工作模態2 一致；低壓側電流流經T1、TD1和T3、TD3。電感電壓為正，電感電流線性增長。電感電壓表達式為

4）工作模態4（圖3 中t3—t4時段）。t3時刻，T3關斷，低壓側電流換流至TD4，為T4提供零電壓開通條件。高壓側電流路徑與工作模態2 一致。低壓側電流流經T1、TD1和T4、TD4。電感電壓表達式為

5）工作模態5（圖3 中t4—t5時段）。t4時刻，Q1關斷，Q3為零電壓開通。低壓側電流路徑與工作模態4 一致。高壓側電流流經D1、Q2。電感電壓表達式為

按照以上分析，根據電感電壓與電流的微分方程關系，列寫各模態的方程及約束條件如式（5）所示。

解析式（5），可得電感電流方程為

式中：TH為半個開關周期（對應圖3 的t5時刻）；δ 為高壓側和低壓側之間主移相角與π 的比值，即主移相占空比；DH為半周期內高壓側脈沖UAB占空比；φL為低壓側內移相角與π 的比值，即低壓側內移相占空比。

結合圖3 及式（6），可得出半周期高壓側傳輸的功率為

PH是隨DH單調遞增的函數，DH最大取值為1。為簡化設計，設置DH=1，PH最大值為。對PH進行標幺化處理，可得

由式（8）可得功率傳輸特性與主移相角和低壓側內移相角的關系。在低壓側內移相角為0 和0.1 時，PHN隨主移相角占空比的變化趨勢如圖4 所示。由圖4 可知，低壓側內移相為0 時，在主移相角占空比δ=0.5 時，傳輸功率達到最大值。而低壓側內移相角的引入，使得在較小的主移相角下就可獲得相對較大的功率傳輸。

圖4 功率傳輸特性曲線

3 混合三電平電路主要參數設計

以系統功率為1 MW 為例，分析混合三電平電路主要參數設計方法。

3.1 移相電感參數設計

移相電感值首先應滿足最大功率的傳輸要求，即

其次要滿足功率傳輸精度的要求，假設功率傳輸精度為額定功率的1%，則有：

式中：δmin為控制系統最小主移相角占空比，與控制器的運算時間相關，本文中設置為0.001。

最后是移相角度最大值時要滿足最大功率傳輸的要求（式（11）），為保證控制曲線的近似線性化，結合圖4，主移相角占空比δmax最大值取為0.3。

結合式（9）—式（11），得到移相電感的取值范圍為20 μH≤Ls≤40 μH，最終移相電感取值為30 μH。

3.2 直流電容參數設計

計算低壓側電容電流的等效電路如圖5 所示。由圖5 可得低壓側電容電流如式（12）所示。

圖5 電容電流計算等效電路

根據電容電荷的平衡，可計算滿足電容電壓波動范圍的電容值。電容電流為正時的電荷量為

假設電容電壓波動值ΔUo小于額定輸出電壓的0.5%，可計算出低壓側最小電容值為

同理，根據高壓側電容電流為正時的電荷量及電容電壓波動值，可計算出高壓側上、下電容最小值為。

選取高壓側上、下電容均為800 μF，低壓側電容為400 μF。

3.3 SiC MOSFET 選型設計

根據式（6），并設定n=1，DH=1，φL=0，計算出高低壓側SiC MOSFET 的有效值為

根據有效值電流可選擇1 200 V／100 A 的SiC MOSFET 器件。

綜上，按照系統功率1 MW 進行設計的混合三電平電路主要參數如表2 所示。

3.4 控制算法設計

為降低低載工況下的回流功率，提升效率，在文獻［8-11］控制方案的基礎上，加入三電平電路電容電壓平衡控制策略，對混合三電平電路進行控制方案的設計，控制算法如圖6 所示。

表2 電力電子變壓器功率模塊參數

圖6 混合三電平電路控制算法

圖6 中UCA、UCB分別為上下電容CA、CB的電壓，UOREF為設定的輸出電壓值。

4 實驗室測試結果

如圖7 所示，在實驗室建立大功率背靠背自環測試平臺，對混合三電平功率電路進行性能測試。此實驗平臺所用測試直流電源，只需提供低壓側的電壓及2 個功率單元的損耗，對測試直流電源輸出電壓和電流的要求較小，可用最小代價進行大功率電源的測試。混合三電平功率電路的運行波形如圖8所示。

圖7 混合三電平功率電路測試平臺

圖8 混合三電平與全橋電路運行波形對比

由圖8 可知，與傳統全橋功率電路對比，混合三電平功率電路主要波形電氣特性一致，功率運行中各主要波形正常，符合設計要求。

對混合三電平功率模塊的效率測試，最高效率達到98.7%，與基于SiC 器件的傳統全橋拓撲結構的雙有源橋相近［12-13］，測試及對比數據詳見表3。

表3 電力電子變壓器功率模塊測試數據

5 結語

設計并測試了基于SiC MOSFET 混合三電平功率模塊，其最高效率接近98.7%。相對傳統全橋拓撲的功率子模塊，該電路僅增加鉗位二極管，以較低成本和控制復雜度，提高了子模塊高壓側直流工作電壓，使電力電子變壓器系統功率模塊數量減半，有效降低了電力電子變壓器的尺寸，提高了系統功率密度。后續將混合三電平功率模塊進行系統搭建，進一步測試其系統性能。