一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容多电平逆变器及其控制方法
阅读说明：本技术 一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容多电平逆变器及其控制方法 (Flying capacitor multi-level inverter based on GaN and Si device mixing and control method thereof ) 是由 王俊 屈坤 张超 陈伟彬 于 2020-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容多电平逆变器及其控制方法,涉及多电平逆变器领域。该基于GaN和Si器件混合的飞跨电容多电平逆变器包括直流供电电源Vdc、直流稳压电容Cdc、第一飞跨电容Cf1、……、第二飞跨电容Cf2、……、第(n-2)飞跨电容Cf(n-2)、第一硅基器件SL1、第二硅基器件SL2、第一氮化镓基器件SH1、第二氮化镓基器件SH2、第三氮化镓基器件SH3、第四氮化镓基器件SH4、……、第(2n-3)氮化镓基器件SH(2n-3)、第(2n-2)氮化镓基器件SH(2n-2)和负载RL。本发明充分结合了Si基器件的大容量、低成本和宽禁带器件的低损耗、高频率的优势,能显著提高效率,而且大大降低成本和提高宽禁带器件应用功率等级,实现了性能与成本的折中优化。(The invention provides a flying capacitor multi-level inverter based on GaN and Si device mixing and a control method thereof, and relates to the field of multi-level inverters. The flying capacitor multi-level inverter based on the GaN and Si device mixing comprises a direct-current power supply Vdc, a direct-current voltage stabilizing capacitor Cdc, first flying capacitors Cf1 and … …, second flying capacitors Cf2 and … …, an (n-2) th flying capacitor Cf (n-2), a first silicon-based device SL1, a second silicon-based device SL2, a first gallium nitride-based device SH1, a second gallium nitride-based device SH2, a third gallium nitride-based device SH3, a fourth gallium nitride-based device SH4 and … …, a (2n-3) th gallium nitride-based device SH (2n-3), a (2n-2) th gallium nitride-based device SH (2n-2) and a load RL. The invention fully combines the advantages of large capacity and low cost of the Si-based device and low loss and high frequency of the wide bandgap device, can obviously improve the efficiency, greatly reduces the cost and improves the application power level of the wide bandgap device, and realizes the compromise optimization of the performance and the cost.)
技术领域
本发明涉及多电平逆变器技术领域，具体为一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容多电平逆变器及其控制方法。
背景技术
大功率多电平逆变器近年来在实际工业生产中得到越来越广泛的应用。多电平逆变器由于结构复杂，采用元器件较多，因此在设计和实验中，实现各个工作状态下运行参数的同步监测和分析较为困难。
传统使用的飞跨电容多电平逆变器多基于Si基器件或GaN基功率器件，这两种逆变器组件数量较多，其中传统Si基功率器件的飞跨电容多电平电路效率很低，而传统GaN基功率器件的飞跨电容多电平电路的成本较高，而且宽禁带器件应用功率等级低，所以需要设计一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容多电平逆变器及其控制方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容多电平逆变器及其控制方法，解决了目前传统Si基功率器件的飞跨电容多电平电路效率低，而传统GaN基功率器件的飞跨电容多电平电路的成本较高同时宽禁带器件应用功率等级低的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容多电平逆变器，该逆变器包括直流供电电源Vdc、直流稳压电容Cdc、第一飞跨电容Cf1、第二飞跨电容Cf2、……、第(n-2)飞跨电容Cf(n-2)、第一硅基器件SL1、第二硅基器件SL2、第一氮化镓基器件SH1、第二氮化镓基器件SH2、第三氮化镓基器件SH3、第四氮化镓基器件SH4、……、第(2n-3)氮化镓基器件SH(2n-3)、第(2n-2)氮化镓基器件SH(2n-2)和负载RL；
所述直流供电电源Vdc的正极、直流稳压电容Cdc的正极、第一硅基器件SL1的一端和第一氮化镓基器件SH1的一端连接；所述直流供电电源Vdc的负极、直流稳压电容Cdc的负极、第二硅基器件SL2的一端和第二氮化镓基器件SH2的一端连接；
所述第一飞跨电容Cf1的正极、第一氮化镓基器件SH1的另一端和第三氮化镓基器件SH3的一端连接；所述第一飞跨电容Cf1的负极、第二氮化镓基器件SH2的另一端和第四氮化镓基器件SH4的一端连接；
所述第二飞跨电容Cf2的正极、第三氮化镓基器件SH3的另一端和第五氮化镓基器件SH5的一端连接；所述第二飞跨电容Cf2的负极、第四氮化镓基器件SH4的另一端和第六氮化镓基器件SH6的一端连接；
……
所述第(n-2)飞跨电容Cf(n-2)的正极、第(2n-5)氮化镓基器件SH(2n-5)的另一端和第(2n-3)氮化镓基器件SH(2n-3)的一端连接；所述第(n-2)飞跨电容Cf(n-2)的负极、第(2n-4)氮化镓基器件SH(2n-4)的另一端和第(2n-2)氮化镓基器件SH(2n-2)的一端连接；
所述负载RL的一端、第(2n-3)氮化镓基器件SH(2n-3)的一端和第(2n-2)氮化镓基器件SH(2n-2)的一端连接；所述负载RL的另一端、第一硅基器件SL1的另一端和第二硅基器件SL2的另一端连接。
优选的，所述第(2n-3)氮化镓基器件SH(2n-3)、第(2n-2)氮化镓基器件SH(2n-2)、第(n-2)飞跨电容Cf(n-2)等中的n代表半桥模块数量。
优选的，所述第一硅基器件SL1和所述第二硅基器件SL2组成工频半桥M1；所述第一氮化镓基器件SH1和所述第二氮化镓基器件SH2组成高频半桥M2；所述第三氮化镓基器件SH3和所述第四氮化镓基器件SH4组成高频半桥M3；……；所述第(2n-3)氮化镓基器件SH(2n-3)和所述第(2n-2)氮化镓基器件SH(2n-2)组成高频半桥Mn。
优选的，所述第一硅基器件SL1和第二硅基器件SL2包括但不限于Si MOSFET(硅金属氧化物半导体场效应晶体管)、Si IGBT(硅基绝缘栅双极型晶体管)反并联二极管，工作频率为50Hz。
优选的，所述第一氮化镓基器件SH1、第二氮化镓基器件SH2、第三氮化镓基器件SH3、第四氮化镓基器件SH4、……、第(2n-3)氮化镓基器件SH(2n-3)和第(2n-2)氮化镓基器件SH(2n-2)包括但不限于GaN HEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)，工作频率为10kHz～1MHz。
优选的，所述工频半桥M1为低频支路；所述高频半桥M2、高频半桥M3、……、高频半桥Mn、和第一飞跨电容Cf1、第二飞跨电容Cf2、……、第(n-2)飞跨电容Cf(n-2)构成高频支路。
优选的，当Si桥臂输出电压为0V时，输出负载电压为GaN桥臂输出电压；当Si桥臂输出电压为+Vdc时，输出负载电压为GaN桥臂输出电压向下平移Vdc。
一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容多电平逆变器控制方法，其特征在于：具体包括以下内容：
1)单位工频正弦波产生Si桥臂开关信号(101)，当正弦值大于等于0时，输出“1”信号；当正弦值小于0时，输出“0”信号；
2)GaN桥臂占空比信号(102)可由如下的关系得出：
其中，m表示调制比，Ap表示三角载波幅值；
3)GaN桥臂占空比信号分别与(n-1)组相位相差2π/(n-1)的三角载波比较得到(n-1)组GaN桥臂开关信号(103)。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容多电平逆变器及其控制方法。具备以下有益效果：
1、本发明充分结合了Si基器件的大容量、低成本和宽禁带器件的低损耗、高频率的优势，与传统Si基功率器件的飞跨电容多电平电路相比，能显著提高效率；与GaN基功率器件的飞跨电容多电平电路相比，能大大降低成本和提高宽禁带器件应用功率等级，实现了性能与成本的折中优化。
2、本发明提供了一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容多电平逆变器电路及其控制方法，利用低成本大容量的Si基器件低频运行产生两电平工频电压，利用高频率低损耗的GaN基器件运行产生n电平电压，将两部分输出电压叠加后可得到(2n-1)电平电压，本发明充分结合了Si基器件的大容量、低成本和GaN基器件的低损耗、高频率的优势，与传统的n单元(n+1)电平GaN FCMI相比，它可以大大减少组件数量和成本，并且，工频Si半桥复制了FCM转换器的效果，从而获得了两倍的有效电压，同时提出了一种新型的控制方法，实现系统的稳定控制。
3、本发明实现Si基功率器件和GaN基功率器件的合理配合，相互补充，可以运用于以开关电源为代表的各种电力电子装置中，为电力电子变换器实现高可靠性、高功率容量、高能效的目标提供了一种新的解决方案。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容多电平逆变器电路及其控制方法原理图；
图2为本发明的实施例提出的一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容五电平逆变器电路及其控制方法原理图；
图3为本发明的实施例提出的一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容五电平逆变器电路一个工频周期Ts内各支路电压和负载电压波形示意图；
图4为本发明的实施例提出的一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容五电平逆变器电路调制控制方法原理图。
其中，101、Si桥臂开关信号；102、GaN桥臂占空比信号；103、(n-1)组GaN桥臂开关信号。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
如图2所示，本发明实施例提供一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容五电平逆变器电路，包括直流供电电源Vdc、直流稳压电容Cdc、飞跨电容Cf、第一硅基器件SL1、第二硅基器件SL2、第一氮化镓基器件SH1、第二氮化镓基器件SH2、第三氮化镓基器件SH3、第四氮化镓基器件SH4和负载RL；
直流供电电源Vdc的正极、直流稳压电容Cdc的正极、第一硅基器件SL1的一端和第一氮化镓基器件SH1的一端连接；直流供电电源Vdc的负极、直流稳压电容Cdc的负极、第二硅基器件SL2的一端和第二氮化镓基器件SH2的一端连接；
飞跨电容Cf的正极、第一氮化镓基器件SH1的另一端和第三氮化镓基器件SH3的一端连接；飞跨电容Cf的负极、第二氮化镓基器件SH2的另一端和第四氮化镓基器件SH4的一端连接；
负载RL的一端、第三氮化镓基器件SH3的另一端和第四氮化镓基器件SH4的另一端连接；负载RL的另一端、第一硅基器件SL1的另一端和第二硅基器件SL2的另一端连接。
第一硅基器件SL1和第二硅基器件SL2，包括但不限于Si MOSFET(硅金属氧化物半导体场效应晶体管)、Si IGBT(硅基绝缘栅双极型晶体管)反并联二极管，工作频率为50Hz；
第一氮化镓基器件SH1、第二氮化镓基器件SH2、第三氮化镓基器件SH3和第四氮化镓基器件SH4，包括但不限于GaN HEMT(氮化镓高电子迁移率晶体管)，工作频率为10kHz～1MHz；
工频半桥M1为低频支路；高频半桥M2、高频半桥M3和飞跨电容Cf构成高频支路。
如图3所示，一个工频周期Ts内各支路电压和负载电压波形示意图，包含低频支路输入电压VAN，高频支路电压VBN，负载电压VAB，当Si桥臂输出电压为0V时，输出负载电压为GaN桥臂输出电压；当Si桥臂输出电压为+Vdc时，输出负载电压为GaN桥臂输出电压向下平移Vdc。
如图4所示，一种基于GaN和Si器件混合的飞跨电容五电平逆变器电路，包括以下调制控制方法：具体包括以下内容：
1)Si桥臂开关信号(101)是由单位工频正弦波产生，当正弦值大于等于0时，输出“1”信号；当正弦值小于0时，输出“0”信号；
2)GaN桥臂占空比信号(102)可由如下的关系得出：
其中，m表示调制比，Ap表示三角载波幅值；
3)两组GaN桥臂开关信号(103)是由GaN桥臂占空比信号分别与两组相位相差2π/2＝π的三角载波比较得到。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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