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储能系统技术 储能系统 SiC器件 ★ 5.0

基于SiC功率器件的低电压应力、快速响应高精度软开关变换器

High-Precision Soft-Switching Converter With Low Voltage Stress and Fast Response Characteristics Based on SiC Power Devices

作者 Jian Wei · Guangjuan Qiu · Baoquan Kou · Xiaobao Yang · Xiaokun Zhao · Weinan Wang
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年5月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 SiC器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 双降压拓扑 偏置电流 软开关拓扑 SiC功率器件 控制策略
语言:

中文摘要

由于无死区时间的特性,双降压拓扑结构在高精度应用中颇具吸引力,并且通过注入偏置电流来消除过零失真。然而,随着母线电压的升高,由于偏置电流运行的限制以及开关器件寄生参数的影响,很难保证电流响应速度和精度。因此,本文提出一种结合碳化硅(SiC)功率器件的低电压应力谐振双降压软开关拓扑结构,以实现快速响应和高精度。首先,介绍了偏置电流和软开关拓扑的原理。然后,结合偏置电流解耦以及零电流开关和零电压开关的实现,对控制策略进行了分析。此外,基于考虑寄生参数的谐振电路,阐述了影响电压和电流应力的因素。最后,搭建了一个母线电压为500 V、开关频率为100 kHz的实验样机,对理论分析进行了验证。

English Abstract

Due to the characteristic of no blanking time, dual buck topology is attractive in high-precision applications and the bias current is injected to eliminate zero crossing distortion. However, with the extension of bus voltage, it is difficult to ensure the current response speed and accuracy due to the limitation of bias current operation and the impact of parasitic parameters of switching devices. Thus, this article proposes a low voltage stress resonant dual buck soft-switching topology combined with a SiC power device for achieving fast response and high precision. At first, the principle of the bias current and soft-switching topology is introduced. Then, combined with the bias current decoupling and the realization of zero current switching and zero voltage switching, the control strategy is analyzed. Moreover, based on the resonant circuit considering parasitic parameters, the factors that affect the voltage and current stress are presented. Finally, a prototype of 500 V bus voltage with 100 kHz switching frequency is built to verify the theory analysis.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于SiC器件的高精度软开关技术具有重要的应用价值。该技术采用谐振双Buck拓扑结合碳化硅功率器件,在500V母线电压下实现100kHz开关频率,有效解决了传统拓扑在高压应用中的响应速度和精度瓶颈问题。

对于光伏逆变器业务,该技术的无死区时间特性和偏置电流注入方案能够显著消除过零失真,这对提升逆变器输出电能质量至关重要。特别是在分布式光伏和户用系统中,高精度电流控制直接影响并网谐波性能和系统效率。软开关技术实现的零电流、零电压切换可大幅降低SiC器件的开关损耗,为进一步提升功率密度和系统效率创造条件。

在储能系统应用方面,该技术的快速响应特性对双向变流器(PCS)性能提升意义重大。储能系统需要频繁进行充放电切换和功率调节,低电压应力设计可提高系统可靠性,降低器件降额需求。结合SiC器件的高温特性,有助于实现储能变流器的紧凑化设计,降低散热系统成本。

从技术成熟度评估,该方案已完成原理样机验证,但工程化应用仍需关注几个挑战:一是谐振参数设计需充分考虑寄生参数影响,这对PCB布局和器件选型提出更高要求;二是偏置电流解耦控制策略的数字化实现复杂度较高;三是在更高母线电压(如1500V光伏系统)下的拓展验证。

建议阳光电源将此技术优先应用于对电能质量要求严苛的场景,如精密制造企业的储能系统、高端户用逆变器等产品线,并结合自身SiC模块开发能力进行深度优化。