基于碳化硅功率器件的三相高功率因数AC-DC谐振变换器研究

To improve the density, reliability, switching loss, efficiency and miniaturization for high power supply, the new wide band gap silicon carbide (SiC) power devices are applied to the power converter, instead of the silicon material power devices, which can bring technological innovation of the power converter. To view this, a three-phrase AC-DC resonant converter with high power factor base on the SiC power devices is proposed in the project, which introduces the high-frequency soft-switching and the magnetic-flux superposition. The proposed converter uses three-phase system simultaneous power balance principle to greatly reduce the filter capacitance, adopting the film capacitor with several microfarads in the DC-link, not electrolytic capacitor. Thus, the power grid current is easy to realize sinusoidal wave, that is , it can realize single-stage PFC function. Since the input-stage power flow of the converter is fluctuant, to make the fluctuant power add, the magnetic combined transformer with three input and one output windings is introduced to realize the flux superposition which makes the secondary power flow amplitude constant. To realize three-circuit primary voltage superposition, 3-H bridge driving signals must strictly synchronous. To reduce the switching losses and improve the efficiency, the full-resonant control to soft-switching is adopted. The proposed converter is very suitable for high power switching supply.

为了提高大功率开关电源的功率密度、可靠性、开关频率、效率及小型化，新型宽禁带碳化硅（SiC）功率器件代替硅材料的功率器件被用到功率变换器中，将会带来功率变换器的革新。本申请针对此提出了一种基于SiC功率器件的三相高功率因数AC-DC谐振变换器。本拓扑引入了高频软开关技术以及磁通叠加技术。本拓扑利用三相系统瞬时功率平衡原理，大大减小了输入级直流侧滤波电容的容值，采用了数微法级的薄膜电容，而非电解电容，致使电网侧电流易于实现正弦化，即实现单级PFC功能。由于变换器的输入级为三路脉动的功率流，为了将脉动的功率流叠加，本拓扑引入了三输入、单输出绕组的磁组合变压器，利用磁通叠加输出将脉动的功率相叠加为幅值恒定的功率流。为了实现三路原边电压叠加，3-H桥驱动信号必须严格同步。为了减小开关损耗，提高效率，变换器采用了全谐振控制实现软开关。本项目提出的变换器非常适合应用于大功率开关电源。

碳化硅功率器件具有高电压、大电流、高温、高频率、低损耗等独特优势，其高温特性和高热导性能可以显著减少散热器的体积和降低成本，其高频特性有助于提高变换器的功率密度，减小体积，降低重量。碳化硅功率器件应用在电动汽车车载充电领域具有巨大的优势。本项目以基于碳化硅功率器件的三相AC-DC谐振变换器为研究对象，分析了碳化硅功率器件的特性，设计了变换器中的关键参数，尤其是磁组合高频变压器及谐振腔。为了实现稳压和PFC，采用了电压外环和有功、无功电流内环的传统控制策略思想，但是为了提高负载动态响应，加入了负载功率前馈控制；为了实现较高的功率因数，三相移相占空比按照相位相差120°正弦规律变化。针对磁组合变压器的三个原边单个副边的结构特性，分析了不同漏感误差对电路的影响。结果表明它会直接影响到网侧电流的平衡度，三相电流的幅值不相同。针对此，采用了三相电流独立控制。根据能能量守恒定律，输出功率等于输入功率，计算得到平均参考电流，实际电流跟随参考电流变化便可得到幅值基本一致的网侧电流。而对于电网电压不平衡情况下，分析了输出电压纹波成分，以及对网侧电流造成低频的影响。为了实现高功率因数，需要改进原有的控制策略。由于电流内环的给定信号是电压外环输出，输出含有低频纹波，一种方案是通过改变电压采样系数减少输出低频成分，使电流给定信号不含低频纹波；另一种是通过消除特定谐波改变占空比的方案减小输出电压纹波对网侧电流的影响。最后，以充电为应用背景，为了提高轻载时的效率，采用了移相+变频混合调制方法。该拓扑结构在较大负载变化范围内可以实现高功率因数，满足国家电网功率因数要求。项目组将碳化硅功率器件应用在三相AC-DC变换器研究中取得了较好的研究成果，该成果具有重要的理论意义和应用价值。碳化硅功率器件对高效能源转换产生重大而深远的影响，必将对电动汽车发展及电动汽车半导体设备的升级换代起到促进作用。