基于混合功率器件ANPC电路的高效率双有源桥DC/DC变换器研究

High efficiency dual active bridge (DAB) bi-directional isolated DC/DC converters have wide application market. The DAB based on multi-level circuits has important research significance for various voltage level DC distribution system for it can improve DC link voltage and switching frequency of single DAB module that will reduce the cost and improve both power density and reliability of the high-voltage high-power system. This study is intended to realize a high efficiency, high DC link voltage and high frequency DAB basing on the hybrid power devices active neutral point clamped (ANPC) circuits. Focusing the ANPC based DAB, high efficiency modulation strategy, which can improve the soft switching area and balance power devices loss distribution. It will be studied by combining the advantages of DAB, that phase shift control method can easily realize the soft switching, with the multi-redundant switch state of ANPC that can be used to change the power devices loss distribution. On this basis, the hybrid power device ANPC-DAB circuits will be constructed using both wide band-gap devices and Si devices, and the modulation method for hybrid power devices ANPC-DAB will be designed to improve efficiency, balance the devices loss distribution and realize high efficiency and high performance DAB.

高效率的双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）隔离式双向DC/DC变换器有广泛的应用市场。基于多电平电路拓扑的DAB能够有效地提高单模块DAB的直流母线电压和开关频率，这可以降低高压大功率系统的成本、提高功率密度和可靠性，对各电压等级的直流配电系统都具有重要的研究意义。本项目拟基于混合功率器件的有源中点箝位型（Active Neutral Point Clamped，ANPC）三电平电路拓扑实现高效率、高直流母线电压、高开关频率的DAB。针对基于ANPC的DAB，将DAB移相控制方法易于实现软开关的优点与ANPC多冗余开关状态相结合，设计能够提高软开关范围、均衡功率器件损耗的高效率ANPC-DAB调制方法。在此基础上，利用宽禁带器件构建混合功率器件的ANPC-DAB电路，并进行调制方法的设计，优化整体效率及器件损耗分布，实现高效率、高性能的DAB。

高效率的双有源桥（Dual Active Bridge, DAB）隔离式双向DC/DC变换器有广泛的应用市场。基于多电平电路拓扑的DAB能够有效地提高单模块DAB的直流母线电压和开关频率，这可以降低高压大功率系统的成本、提高功率密度和可靠性，对各电压等级的直流配电系统都具有重要的研究意义。本项目基于混合功率器件的有源中点箝位型（Active Neutral Point Clamped，ANPC）三电平电路拓扑实现高效率、高直流母线电压、高开关频率的DAB。.针对基于ANPC的DAB，将DAB移相控制方法易于实现软开关的优点与ANPC多冗余开关状态相结合，设计能够提高软开关范围、均衡功率器件损耗的高效率ANPC-DAB调制方法。在此基础上，利用宽禁带器件构建混合功率器件的ANPC-DAB电路，并进行调制方法的设计，优化整体效率及器件损耗分布，实现高效率、高性能的DAB。同时，为了满足与交流电网的连接需求，研究了基于混合导通模式的MCM逆变器，作为DAB与交流电网间的接口。.本文的主要结论是：.通过调制方法设计，可以使Si ANPC-DAB工作在全软开通下，且每个开关周期内的4次硬开关动作均匀分布在4个不同的开关器件上，有效均衡开关器件的损耗分布，能够降低所需散热系统体积，提高系统可靠性。.设计实现了混合功率器件的ANPC-DAB，并提出了2种能够将硬开关损耗集中在SiC器件上的调制方法及相应的电流条件，从而提高开关频率并优化整体效率。所提出的调制方法在开关频率提高一倍的情况下效率仍高于相应的全Si器件ANPC-DAB..电感电流混合导通模式下的工作模式使AC/DC变换电路既能够发挥DCM降低SiC MOSFET开关损耗的优点，又能发挥CCM降低开关管电流应力的能力。基于混合导通模式提出了一种电感电荷量为控制变量的统一数学模型，能够简单、方便地对AC/DC变换电路进行控制。.本项目能够对高直流母线电压、高效率、高开关频率隔离式能量双向流动DC/DC变换器的进一步研究发展提供新的思路，对各电压等级的直流配电系统都具有重要的研究意义，同时伴随可再生能源和直流输配电系统的进一步发展，具有广阔的应用前景。