双有源桥直流变换器及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子变换，具体涉及采用常通型功率半导体开关与常断型功率半导体开关构成异构器件有源桥的双有源桥直流变换器及其控制方法。

背景技术：

1、双有源桥直流变换器，即dual active bridge converter，简称dab，通过两个有源桥、高频变压器和传输阻抗实现隔离式双向直流功率传输。所述传输阻抗可以由串联电感构成，也可以包括由串联谐振电容和串联谐振电感构成的串联谐振支路。碳化硅功率半导体器件具有耐受高电压、适于高开关频率和高温运行以及有利于降低损耗等特点，与双有源桥直流变换器对高效率和高功率密度的要求相适配。

2、随着人工智能计算业务发展，数据中心供电容量和功率密度持续提高，对能够实现中压接入、高频隔离和模块化直流供电的固态变压器产生了更高需求，同时也对长期连续运行可靠性提出较高要求。碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管已用于多种高频功率变换场合，但其栅极氧化层及碳化硅与栅极氧化层之间的界面可能受界面陷阱、栅极偏压和温度应力影响，引起阈值电压漂移、栅极氧化层退化或相关参数变化。栅极氧化层的长期可靠性因而仍是高可靠性固态变压器中需要重点评估的因素。固态变压器通常包含多个功率变换模块和较多功率半导体开关，单个器件的可靠性风险还可能影响系统可用率、维护成本及冗余设计。

技术实现思路

1、碳化硅结型场效应晶体管利用结型栅极控制导电沟道，不具有碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管所采用的金属-氧化物-半导体栅极结构，可避免相同形式的栅极氧化层可靠性问题，因而在固态变压器中具有应用潜力。但是，高压碳化硅结型场效应晶体管通常呈常通特性；若直接用作h桥的全部功率开关，则在驱动未建立或控制失效时需要额外处理同一桥臂中的上、下功率开关同时导通及直流母线直通风险，难以直接沿用常断型器件h桥的驱动和故障安全逻辑。

2、固态变压器中的双有源桥直流变换单元的两侧直流电压通常受前级、后级或系统母线约束，设计运行区间内的电压变比变化可以相对受限。相对受限的电压变化范围使控制器在满足目标传输功率时仍可保留移相调节自由度。双有源桥的上功率开关和下功率开关并非必须在每次动作中承担相同的关断电流和关断损耗。

3、本发明的目的之一在于提供一种利用常通型功率半导体开关的双有源桥直流变换器，在满足高频隔离和双向功率传输要求的同时，发挥常通型功率半导体开关的器件可靠性优势。本发明中的第一类型功率半导体开关可采用单个常通型碳化硅结型场效应晶体管、单个常通型氮化镓结型场效应晶体管、单个常通型氧化镓结型场效应晶体管或者单个耗尽型氮化镓高电子迁移率晶体管。在本发明的一些实施例中，上述常通型功率半导体开关采用不具有栅极氧化层的器件结构；其中，结型场效应晶体管可通过半导体结形成的栅极控制导电沟道，耗尽型氮化镓高电子迁移率晶体管可采用不含栅极氧化层的栅极结构。与依赖栅极氧化层实现栅极绝缘和沟道控制的功率半导体开关相比，该类无栅极氧化层的常通型功率半导体开关可避免或减轻栅极氧化层界面缺陷、阈值电压漂移、栅极氧化层退化和介质击穿等长期可靠性风险，因而适合对长期连续运行可靠性要求较高的固态变压器及数据中心供电场合。针对常通型功率半导体开关直接构成有源桥时存在的无驱动导通风险，本发明在至少一个有源桥中将常通型第一类型功率半导体开关与常断型第二类型功率半导体开关形成异构配置，并对移相参数进行协调，在利用常通型器件可靠性优势的同时阻断无驱动状态下的直流母线直通路径，并降低正常功率传输过程中常断型第二类型功率半导体开关的关断电流。

4、本发明进一步将异构器件有源桥中两类功率半导体开关的固定物理配置与三重移相调制相结合。三重移相调制提供第一有源桥内部移相、第二有源桥内部移相以及两个有源桥之间外移相等多个调节自由度。通过选择第一类型功率半导体开关和第二类型功率半导体开关的物理位置，并协调桥内移相和桥间移相，可使不同类型的功率半导体开关承担不同的关断过程；在第一功率传输方向和第二功率传输方向的功率传输过程中，使常断型第二类型功率半导体开关在较小电流下关断或使其关断电流趋近于零，并由第一类型功率半导体开关承担相应的非零电流换流应力，同时维持所需功率传输。

5、更为重要的是，第二类型功率半导体开关采用常断型功率半导体开关，使其在未施加有效驱动信号时保持关断状态。由于异构器件有源桥的各桥臂均包括与第一类型常通型功率半导体开关串联的第二类型常断型功率半导体开关，因此，在上电初始、控制器尚未建立、驱动电源异常或驱动信号丢失时，即使第一类型功率半导体开关保持导通，由直流母线正极至直流母线负极的桥臂串联导通路径仍由第二类型功率半导体开关阻断，使直流母线不呈持续直通状态。由此可避免因全部采用常通型功率半导体开关而形成上电直通路径，并降低母线短路过流、功率器件损坏乃至爆炸的风险。上述无驱动关断状态以第二类型功率半导体开关的控制端具有可靠的关断保持条件为前提，而不以控制端悬空代替关断控制。可在门极与发射极或源极之间设置电荷释放电阻、驱动器下拉支路或有源钳位支路，使驱动欠压、复位、信号丢失或保护动作时控制端保持在关断电位。启动时可先确认第二类型功率半导体开关关断，再建立第一类型常通型功率半导体开关所需的有效关断偏置，确认两侧直流端口及驱动状态满足条件后进入调制。第一类型器件的导通、关断电平及负压关断需求应依据所选器件确定，驱动电路可配合栅极钳位、欠压锁定及互锁保护。

6、在同一异构器件有源桥的两个桥臂中，第一类型功率半导体开关均设置于上开关位置或者均设置于下开关位置，即设置于相同直流母线侧的功率开关位置的情况下，在系统驱动电源突然掉电或全部有效驱动信号同时消失时，第二类型功率半导体开关因具有常断特性而转入或保持关断，用于阻断直流母线正极至负极的直通路径；与此同时，第一类型功率半导体开关因具有常通特性而保持导通，使同一异构器件有源桥的两个交流端被钳位到同一直流母线电位，从而使该有源桥的输出电压趋近于零。传输阻抗中的串联电感、变压器漏感或者串联谐振电感的电流由此获得经第一类型功率半导体开关和变压器绕组形成的低阻闭合续流路径，电感两端在电路意义上呈等效短接或小电压钳位状态，避免电感电流被突然切断而产生较高的感应电压，降低功率半导体开关、变压器绕组及绝缘结构发生过压击穿的风险。

7、在一个方面中，本发明提供一种双有源桥直流变换器，其包括第一直流端口、第二直流端口、第一有源桥、第二有源桥、变压器、传输阻抗以及控制器。第一有源桥连接于第一直流端口与变压器的第一绕组之间，第二有源桥连接于第二直流端口与变压器的第二绕组之间，传输阻抗设置于由第一有源桥、变压器和第二有源桥构成的功率传输回路中。

8、第一有源桥和第二有源桥中的至少一侧为异构器件有源桥。异构器件有源桥包括第一桥臂和第二桥臂，各桥臂均包括串联连接的上功率开关和下功率开关；上功率开关和下功率开关分别为不同类型的功率半导体开关，其中一者为常通型的第一类型功率半导体开关，另一者为常断型的第二类型功率半导体开关。

9、控制器可被配置为采用三重移相调制控制第一有源桥和第二有源桥。三重移相调制，即triple phase shift调制，简称tps，包括表征第一有源桥内部移相的第一内移相参数、表征第二有源桥内部移相的第二内移相参数以及表征两个有源桥之间相对移相的外移相参数。移相参数可以角度、归一化相移量、时间差或与其等效的控制量表示。 第一功率传输方向指功率由第一直流端口传向第二直流端口，第二功率传输方向指功率由第二直流端口传向第一直流端口。

10、控制器以零为第二类型功率半导体开关的目标关断电流，并按照使第二类型功率半导体开关的关断电流绝对值减小的方向调节第一内移相参数、第二内移相参数和外移相参数中的至少一个，使异构器件有源桥中的第二类型功率半导体开关的关断电流绝对值不大于预设关断电流阈值。

11、需要指出的是，以零为目标关断电流表示控制趋向于使关断电流绝对值最小，而不要求实际关断电流在所有运行状态下严格等于零。预设关断电流阈值为允许偏离零的工程边界，并根据第二类型功率半导体开关的允许关断损耗、开关特性和可靠性要求中的至少一项确定。所述预设关断电流阈值可以为零，也可以为大于零的工程允许值。由此，可避免用固定的非零电流替代优化目标，同时为器件差异、采样误差和运行约束保留实现裕量。

12、在一个实施例中，允许关断损耗可根据第二类型功率半导体开关的数据手册、结温上限、散热条件、开关频率、母线电压、关断能量曲线或试验标定结果中的一项或多项确定。控制器可依据允许关断损耗与关断电流之间的对应关系确定预设关断电流阈值。该阈值可以是固定值，也可以随母线电压、开关频率、器件温度或运行模式而更新。

13、在一个实施例中，在第一功率传输方向和第二功率传输方向的功率传输过程中，异构器件有源桥中的全部第二类型功率半导体开关的关断电流绝对值均不大于预设关断电流阈值。全部第二类型功率半导体开关可以通过共同的阈值评价，也可以分别采用根据各自允许关断损耗确定的阈值。

14、在一个实施例中，传输阻抗由固定的串联电感构成，即所述串联电感的标称电感值不可由控制器调节。对关断电流的调节通过移相参数实现，而不依赖在线改变所述串联电感的标称电感值。

15、第一类型功率半导体开关可以为单个常通型碳化硅结型场效应晶体管、单个常通型氮化镓结型场效应晶体管、单个常通型氧化镓结型场效应晶体管或单个耗尽型氮化镓高电子迁移率晶体管。上述器件属于常通型宽禁带场效应功率器件，其中优选常通型碳化硅结型场效应晶体管。

16、第二类型功率半导体开关可以为硅基绝缘栅双极型晶体管、常断型硅基金属氧化物半导体场效应晶体管、整体呈常断特性的共源共栅型碳化硅结型场效应晶体管功率半导体开关、整体呈常断特性的共源共栅型氮化镓结型场效应晶体管功率半导体开关、整体呈常断特性的共源共栅型氧化镓结型场效应晶体管功率半导体开关或整体呈常断特性的共源共栅型氮化镓高电子迁移率晶体管功率半导体开关。

17、共源共栅型功率半导体开关亦称cascode功率半导体开关，作为一个整体的功率半导体开关参与桥臂连接和驱动。其可包括高压常通型功率半导体器件和低压常断型硅基金属氧化物半导体场效应晶体管；高压常通型功率半导体器件的源极与低压常断型硅基金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极连接，高压常通型功率半导体器件的栅极与低压常断型硅基金属氧化物半导体场效应晶体管的源极连接，使该组合整体呈常断特性。所述高压常通型功率半导体器件可采用常通型碳化硅结型场效应晶体管、常通型氮化镓结型场效应晶体管、常通型氧化镓结型场效应晶体管、耗尽型氮化镓高电子迁移率晶体管或者其他能够通过所述共源共栅连接实现组合整体常断的高压常通型功率半导体器件。

18、在一个实施例中，第一有源桥和第二有源桥均为异构器件有源桥。两个异构器件有源桥可采用同向配置，即第一类型功率半导体开关在两个异构器件有源桥中均设置于上开关位置或均设置于下开关位置。

19、替代地，两个异构器件有源桥可采用镜像配置，即第一类型功率半导体开关在一个异构器件有源桥中设置于上开关位置，并在另一个异构器件有源桥中设置于下开关位置。相应地，第二类型功率半导体开关位于各桥臂中与第一类型功率半导体开关互补的物理位置。

20、在一个实施例中，传输阻抗由串联电感构成，所述串联电感可以为外接电感、变压器的漏感，或者由外接电感和变压器的漏感共同构成。在另一实施例中，传输阻抗包括由串联谐振电容和串联谐振电感构成的串联谐振支路，以形成双有源桥串联谐振直流变换器；所述串联谐振电感可以为外接电感、变压器的漏感，或者由二者共同构成。

21、在另一方面中，本发明提供一种双有源桥直流变换器的控制方法。该方法采用三重移相调制，根据目标传输功率设置外移相参数，并联合调节第一内移相参数和第二内移相参数；在满足目标传输功率的约束下，使异构器件有源桥中的第二类型功率半导体开关的关断电流绝对值不大于预设关断电流阈值。

22、在第一功率传输方向和第二功率传输方向的功率传输过程中，可分别确定与当前功率方向对应的移相参数，并通过联合调节两个内移相参数，使全部第二类型功率半导体开关满足关断电流约束。外移相参数可随目标传输功率、端口电压或功率方向改变，而两个内移相参数提供降低指定开关关断电流的调节自由度。

23、与仅使用同类型功率半导体开关的有源桥相比，本发明允许将不同导通特性和开关特性的功率半导体开关设置于同一桥臂，并通过器件位置与移相控制相配合，使常断型功率半导体开关的关断电流趋近于零，从而有利于降低其关断损耗。

24、此外，本发明的关断电流控制不以可变电感为必要条件，并可兼容单个常断型器件和由多个器件构成但整体呈常断特性的共源共栅型功率半导体开关；通过同向配置或镜像配置，还可适应双侧异构桥和双向功率传输。