基于SiC功率器件的高频化双向逆变器研究

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在能源严重缺乏的当下,以分布式能源为代表的可再生能源得到了很大的发展,许多学者提出利用直流交流混合微电网来接纳各种分布式电源,而双向变换器作为能量转换的一个关键环节,其变换效率及可靠性对新型微电网具有重大影响。随着新型宽禁带碳化硅功率器件的发展,为电力电子朝着更高效率、高功率密度方向前进提供了新的解决方案,其简化拓扑,提高开关频率可有效地减小储能元件大小,利于减小整个系统的体积和重量,提高功率密度。采用经典全桥型拓扑结构的双向DC-AC变换器存在桥臂直通隐患,需要设置开关死区,及体二极管续流损耗大等问题不利于高频化和效率提升。本文研究一种无需开关死区、可靠性高、能充分发挥宽禁带SiC功率器件优势的双Buck型双向DC-AC变换器。本文分别建立了并网逆变工作模式和整流PFC工作模式下的数学模型,再对其电流环与电压环的控制策略进行设计。针对传统PI控制算法响应速度慢,无法快速跟踪变换器电流指令、以及变换器存在的非线性等问题,本文设计了基于模型参考自适应算法的电流内环控制器,并通过仿真验证其可行性和有效性。针对整流PFC工作模式下,输入电流三次谐波较大问题,进行机理分析研究,设计了基于直流侧电压二次纹波陷波的电压外环PI控制器,仿真结果验证了所提方法在有效抑制输入电流三次谐波的同时具有较快的动态响应特性。接着对开关频率100kHz的实验样机的电路参数进行设计,设计了基于TMS320F28377D的DSP控制算法程序,并建立系统的损耗模型,研究其对效率的提升;针对高频工作情况下,SiC MOSFET易出现误触发现象,对其驱动电路进行了设计;同时,针对电路分布参数在高频情况下对变换器性能影响,通过建模和仿真分析,实现PCB电路布局的优化设计。最后研制一台1kVA实验平台,进行基于SiC功率器件双Buck型双向逆变器样机的实验验证,结果表明所设计电路参数的合理性、所提控制算法的可行性和有效性,与传统基于Si功率器件变换器相比,在效率上有较大优势。
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