摘要：基于SiC串联器件的双有源桥变换器因具有开关损耗小、功率密度高、能量控制简单等优势,有望成为中压变换场景中实现高频隔离的优选方案.为保证SiC串联器件的可靠均压,各器件上并联大容值缓冲电容,然而该设计使变换器在传输功率较低时难以实现零电压开通,严重影响变换器的整体效率和串联器件的可靠运行.该文通过构建SiC串联器件型中压双有源桥变换器多模态运行模型并深入分析其运行特性,提出一种基于等效励磁电感的无源软开关技术.所提技术可通过优化外接传输电感位置的方式实现中压侧等效励磁电感参数调节,从而在无额外控制前提下实现SiC串联器件的软开关范围扩展.最后,设计了4kV/1kV实验样机,实现了100kW下运行.实验结果显示,所提出的软开关技术能显著地扩展变换器中SiC串联器件的软开关范围,在保证SiC串联器件均压稳定性的同时能够大幅降低变换器在轻载运行时的功耗.
引言
为了降低温室气体排放,实现全球可持续发展,分布式新能源发电装置和新型电力负荷正大量接入城市配电系统。作为城市配电系统的核心设备,电力电子变压器(PowerElectronicTransformer,PET)为中压(MediumVoltage,MV)网络和低压(LowVoltage,LV)设备的互联提供了灵活的接口。隔离型DC-DC变换器是PET的基本组成部分,其中基于双有源桥(DualActiveBridge,DAB)拓扑的隔离型DC-DC变换器被广泛采用。
在中压网络中,采用工艺成熟、性能优越的低压器件直接串联组成中压模组,其开关损耗小、扩容能力强,有望成为PET中压器件的优选方案。为了提高PET的功率密度,一般会将器件的开关频率提升至数十kHz。因此,采用低开关损耗的SiCMOSFET已成为高功率密度PET设计的未来趋势。基于低压SiCMOSFET串联的DAB变换器已成为该领域的重点研究对象。
然而,SiCMOSFET关断过程中的dv/dt高达数十kV/μs,这使得器件及其外围电路的参数失配所导致的动态电压失衡被迅速放大,电压均衡难度陡增。虽然器件筛选可以降低器件之间的特性差异,但无法减小外围电路参数失配所导致的电压不平衡。因此,对于SiCMOSFET,并联较大的无源缓冲电容来减小dv/dt,进而降低电压均衡难度是一种更为简单可靠的解决方案。但是在轻载下,SiC串联器件上较大的无源缓冲电容导致DAB变换器无法实现零电压软开关开通(ZeroVoltageSwitching-on,ZVS-on),进而在开通的SiC串联器件上产生巨大的缓冲电容充放电损耗。因此,亟待研究适用于SiC串联器件型中压DAB变换器的软开关技术。
适用于DAB变换器的软开关技术大致分为两种技术路线:有源调制技术路线和无源隔离腔设计技术路线。在有源调制技术方面,多移相角调制策略备受关注。该策略引入多种移相角组合,包括扩展移相调制、双移相调制、三移相调制等。这些调制策略旨在提升变换器宽范围运行能力或最小化电流应力。但是,其调制参数设计和调制策略实施的复杂性限制了其在中压场景的广泛应用。
在无源隔离腔设计方面,主要思路为设计改进的变压器和传输电感结构。可调分接变压器方案可以调整匝比和传输电感,以扩大软开关范围。但是这种变换器的优化设计相对困难,附加的控制开关会增加成本并使拓扑结构复杂化。在电感结构设计方面,提出了分立传输电感并将电感置于变压器两侧的解决方案,以减少变压器寄生电容对零电压开通的影响。然而,该方案不适用于解决SiC串联器件型中压DAB变换器的软开关范围较窄问题。在三相DAB变换器中,变压器绕组结构可以为隔离腔提供循环功率,从而有助于实现在轻载下的零电压开通。但是由于其复杂的绕组结构,在中压的应用中也受到限制。由上述研究工作可知,隔离腔的参数和结构设计有利于功率器件实现可靠的软开关,但是冗余的元器件和复杂的隔离腔结构是限制此类软开关技术路线的主要因素。
针对以上软开关技术存在的问题,本文在单移相调制策略的基础上,在不额外增加元器件的情况下,利用隔离腔本身的参数设计及外接传输电感位置优化来扩展串联器件的软开关范围。首先,本文通过隔离腔网络变换,提出了等效励磁电感的概念,为后续模式的推导和参数的优化设计提供了理论基础。其次,本文通过建立具有等效励磁电流输入的串联器件电容与传输电感间的谐振模型,实现了SiC串联器件型中压DAB变换器运行模式的解析。然后,本文深入刻画了变换器的模式边界、传输功率和电流峰值等运行特性,基于此从串联器件均压程度和变换器损耗等角度优化提出了变换器参数优化设计方法。最后,本文搭建了4kV/1kV的实验样机,并用实验结果验证了所提优化设计方法可在不明显增加串联器件不均压灵敏度的同时,实现串联器件软开关范围的扩展。
1、变换器架构与分析基础
1.1变换器架构与隔离腔元件的等效变换
本文所研究的软开关技术应用于如图1所示的SiC串联器件型中压DAB变换器的拓扑结构中。图中,VMVDC为中压侧直流母线电压,VLVDC为低压侧直流母线电压,CMVDC1和CMVDC2为中压侧半桥母线电容,CLVDC为低压侧母线电容。该拓扑结构的中压侧桥臂采用SiC串联器件SMVp和SMVn构成的半桥结构,低压侧桥臂采用SiCMOSFET并联模块SLVAp、SLVAn、SLVBp和SLVBn构成的全桥结构,两侧桥臂通过隔离腔相连。隔离腔中压侧交流电压为vMVAC,低压侧交流电压为vLVAC。
进一步将T型电感网络等效为II型电感网络,如图2b所示。II型电感网络中的各电感表达式为
1.2变量定义与条件假设
为简化DAB变换器的模式分析,本文将在保留主要参数影响的基础上,从以下假设出发,分析SiC串联器件型DAB变换器的运行模式。
2、运行模式分析
精准刻画变换器的运行模式有助于优化变换器的参数设计。根据第1节假设并结合驱动信号和电压电流波形关系,通过仿真分析,可知所设计变换器的运行模式可划分为六种,各运行模式的仿真波形如图4所示。由图4可知,后半开关周期与前半开关周期的状态变量呈中心对称关系,为便于分析,此处仅考虑前半开关周期的状态变量的变化。
根据各运行模式的特征,归纳总结得到六种模式的模态切换情况和桥臂软开关情况见表1。表中,模态切换情况分为三种,每种模态切换情况又根据是否具有ZVS开通状态对应于两类模式。最终根据上述运行模式的分析,可得如附表1所示的状态变量的表达式,为后续运行特性的分析和变换器参数设计提供理论基础。
3、运行特性分析
3.1模式边界特性
3.2传输功率特性
3.3电流峰值特性
4、计及等效励磁电感的参数设计
5、实验验证
基于上述过程的变换器关键参数设计,为验证本文所提方案的有效性和模式分析的准确性,搭建了一台4kV/1kV200kW的实验样机,如图12所示。
5.1无源软开关技术验证
为验证所提出的无源软开关技术的有效性,本节进行了低压小功率实验。首先进行了1kV/250V3.2kW的正反向运行实验,如图13所示。对比图13a和图13b可知,相同传输功率下,Lkex接于低压侧的配置能够实现串联器件的零电压开通,即串联器件对管开通时,串联器件已经实现完整换相。然而,Lkex接于中压侧的配置不能实现串联器件的ZVS开通,即串联器件对管开通时,串联器件的电压存在跳变,并且因此引发了较大的高频振荡。另外,相比于Lkex接于中压侧的配置,Lkex接于低压侧配置的tMVAC在两侧电压同向钳位于Lk上时的电流变化范围更大,也证实了将外接电感置于低压侧有助于降低Lm1。由图13c和图13d可知,反向运行时外接传输电感位置对软开关和交流电流的影响也具有相似的特性。
5.2中压下的软开关与均压效果验证
为验证所设计变换器的无源软开关技术在中压场景中的适用性和串联器件的均压效果,本节进行了4kV/1kV50kW下的验证实验。该实验中的变换器主要波形和中压SiC串联器件均压情况如图14所示。图中所测量的td_MVp为并联较大的缓冲电容后的串联器件模组SMVp上的电流。缓冲电容电流瞬间增长至tMVAC的一半,导致缓冲电容与换相回路寄生电感间的振荡,从而产生电流振荡现象。该电流振荡不会影响到SiCMOSFET本身的运行并且会受到换相回路上的寄生电阻的阻尼作用,从而逐渐减弱并最终消失。
此外,在理想的励磁电感为无穷的配置中,能实现串联器件零电压开通的传输功率高于65kW。在如图14所示的实验波形中,采用所提出的软开关技术在传输功率为50kW时依旧能实现ZVS开通。同时,中压SiC串联器件上半桥臂的器件间最大电压差小于20V,即具有良好的均压能力。
为探究在实现ZVS开通的运行区域内采用无源软开关技术的影响,提高变换器的传输功率至100kW,观察变换器的主要波形和中压侧SiC串联器件均压情况,如图15所示。可见,tMVAC在两侧电压同向钳位于Lk上时的电流变化范围不变,在中压侧引入的循环电流不变。另外,中压SiC串联器件上半桥臂的器件间最大电压差仍小于20V,证实了所设计的变换器中串联器件能够实现可靠均压。
5.3变换器运行效率对比
本文通过改变外接传输电感Lkex的位置来改变中压侧等效励磁电感Lm1,从而扩展中压侧SiC串联器件的ZVS开通范围。图16为外接传输电感配置于中压侧和低压侧的变换器效率对比。图16中的实测数据点以圆形和星形标记表示。通过拟合实测数据与损耗模型、校准损耗模型,以预测其他工况下的变换器效率,如图16中的实线和虚线所示。由图16可知,两种连接方式的变换器效率不同之处在于:轻载下Lkex串接于低压侧的变换器因能够实现ZVS开通而效率较高;重载下Lkex串接于低压侧的变换器因在中压侧存在略大的循环电流而效率微低。在正向运行的20%负载率下,Lkex串接于低压侧的变换器的实测效率可提高约2%,即整体损耗降低30%;在反向运行的20%负载率下,Lkex串接于低压侧的变换器的预测效率可提高约4%,即整体损耗降低50%。上述结果证明了无源软开关策略在提高SiC串联器件型中压DAB变换器轻载效率方面的有效性。
6、结论
针对SiC串联器件在双有源桥变换器轻载下难以实现ZVS开通的问题,本文提出了一种基于等效励磁电感的无源软开关技术。相较于现有技术,本文通过采用易于配置的隔离腔和简单的控制策略,利用隔离腔的参数设计来扩展SiC串联器件的ZVS开通范围。
首先,构建了隔离腔元件的等效变换模型,基于此提出便于SiC串联器件型DAB变换器模态分析的中压侧等效励磁电感参数。然后,依照状态空间方程揭示了包含多种模态的变换器运行模式,并通过循环计算详细刻画了变换器的运行特性。最后,根据所分析的运行特性,设计了均压缓冲电容、变压器励磁电感、传输电感等关键参数,并搭建了4kV/1kV200kW实验样机。实验结果表明,所提出的无源软开关技术及相应的参数优化设计方法能显著地扩展变换器中SiC串联器件的ZVS开通范围,消除大幅值高频振荡,提高SiC串联器件的均压可靠性和变换器的轻载效率。
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