一种NTPS功率主电路结构及设备的制作方法

一种ntps功率主电路结构及设备
技术领域
1.本实用新型涉及电力电子技术领域，具体为一种基于sic和si mosfet混合的ntps 功率主电路结构。


背景技术：

2.终端电气综合治理保护系统(n
‑
line treatment protection system，简称ntps)通过对末端回路电流进行检测、分析，依照供电持续性、安全性的原则，治理谐波及三相不平衡，对精密设备进行保护，消除中性线电流，对中性线过流的情况进行过流速断保护、定时限、反时限保护的电气产品。
3.随着光伏逆变器、电动汽车充电桩、风力发电变流器、有源电力滤波器(apf)、ups 和变频器等电力电子设备的快速发展和广泛使用，在这些三相pwm整流器和逆变器等并网变换器中，通用t型和i型三电平拓扑已经得到了广泛应用，三电平拓扑相比传统的两电平拓扑可以显著提升功率密度，降低变换器损耗。
4.在三相pwm整流器(ac/dc)和逆变器(dc/ac)变换器拓扑中，开关管的导通损耗相比dc/dc应用更高，由于常规si mosfet的导通损耗较高且很难做到高电压和大电流，因此ntps功率主电路的三电平拓扑的变换器中，一般采用igbt作为开关管。当前较大电流igbt实际工作开关频率一般不超过30khz，且开关损耗较高，所以前述采用三电平拓扑变换器的电力电子产品在工作时的额定损耗一般不低于装置总功率的3％，这带来了额外的巨大能源损耗，如何减少这部分损耗成为当前电力电子领域的一个核心问题。
5.在过去的十五到二十年中，碳化硅(sic)电力电子器件领域取得了令人瞩目的成就，新研发的碳化硅器件的性能指标远超当前硅基器件，并且成功实现了部分碳化硅器件的产业化，在一些重要的能源领域开始逐步取代硅基电力电子器件，并初步展现出其巨大的潜力。sic电力电子器件相比传统的si器件具有更低的损耗、更高的开关频率，且更易实现大功率的封装，使用sic作为功率开关管的电力电子装置可以具备更高的功率密度和更低的损耗。但在实际应用时，sic器件价格相比igbt和si mosfet还比较高，较高的价格限制了sic器件的商业应用。
6.如何在不显著提高成本的前提下，降低ntps的功率主电路结构的能耗，是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于提供一种基于sic和si mosfet混合的ntps功率主电路结构及设备，采用sic mosfet和si mosfet混合的三电平拓扑结构，实现对输出电流的快速跟踪，能够降低能耗且成本较低。
8.为解决上述技术问题，本实用新型一方面提供了一种基于sic和si mosfet混合的 ntps功率主电路结构，包括三电平拓扑结构及fpga控制器，所述三电平拓扑结构的每一相包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；
9.所述第一桥臂和第三桥臂上分别设置有一外开关管，所述第二桥臂上设置有两个串联的内开关管；
10.所述外开关管为sic mosfet器件，所述外开关管由fpga控制器通过sic_pwm信号驱动电路驱动；
11.所述内开关管为si mosfet器件，所述内开关管由fpga控制器通过si_pwm信号驱动电路驱动；
12.所述fpga控制器接收ac端的电压和/或电流信号以及dc端的电压和/或电流信号，通过计算生成所述sic_pwm信号和所述si_pwm信号。
13.进一步地，所述第一桥臂与所述dc端的正极电连接，所述第三桥臂与所述dc端的负极电连接，所述第二桥臂分别通过电容与所述第一桥臂和所述第三桥臂电连接。
14.进一步地，所述外开关管的额定电压是所述内开关管的两倍，所述外开关管的额定电流与所述内开关管相同。
15.进一步地，所述fpga控制器的采样频率高于200khz。
16.本实用新型另一方面提供了一种基于sic和si mosfet混合的ntps设备，包括上述的ntps功率主电路结构。
17.进一步地，还包括零线保护模块，所述零线保护模块采集零线上的电流信号，并传输至所述fpga控制器。
18.进一步地，还包括输出滤波器模块，所述输出滤波器模块与所述ntps功率主电路结构电连接，并对所述ntps功率主电路结构的输出信号进行滤波。
19.与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型采用sic mosfet和 si mosfet混合的三电平拓扑结构，在实现高开关频率、低损耗、高功率密度变换器的同时，提供了低成本的实现方案。
附图说明
20.图1为本实用新型的ntps功率主电路结构的示意图；
21.图2为本实用新型的ntps设备的示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
23.图1示出了本实施例的ntps功率主电路结构的示意图，包括三电平拓扑结构及fpga 控制器，三电平拓扑结构的类型为t型三电平，三相半桥结构，三相为相同结构，三电平拓扑结构的每一相包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，第一桥臂与dc端的正极电连接，第三桥臂与dc端的负极电连接，第二桥臂分别通过电容与第一桥臂和第三桥臂电连接。
24.以下为a相为例，第一桥臂上设置有外开关管t1，第三桥臂上设置有外开关管t4，第二桥臂上设置有两个串联的内开关管t2和t3，t1和t4的器件额定电压为t2和t3的两倍，额定电流相同。
25.每一相的外开关管为sic mosfet器件，内开关管为si mosfet器件，例如a相中，外开关管t1和t4为sic mosfet器件，内开关管t2和t3为si mosfet器件。外开关管由fpga控制器通过sic_pwm信号驱动电路驱动，内开关管由fpga控制器通过si_pwm信号驱动电路驱动；
26.fpga控制器接收ac端的电压和/或电流信号以及dc端的电压和/或电流信号，通过计算生成上述sic_pwm信号和所述si_pwm信号。三相共有6个外开关管和6个内开关管，因此fpga控制器共有12路信号，分别为6路sic_pwm信号和6路si_pwm信号。
27.本实施例的ntps功率主电路结构的开关管调制控制方案和常规t型三电平变换器相同，既可以工作在整流状态(ac/dc)，也可以工作在逆变状态(dc/ac)，工作在高功率因数时，内开关管t2和t3的导通时间占比较小，采用si mosfet并不会给ntps功率主电路结构带来额外很大的导通损耗，但相比sic mosfet可以大大降低开关管自身成本和驱动电路成本。
28.外开关管t1和t4管的开关损耗是ntps功率主电路结构总损耗中比例最大的，采用 sic mosfet器件，导通压降和igbt类似，但开关损耗远低于igbt器件，实现了高开关频率下的低损耗。
29.ntps功率主电路结构的工作频率即t1、t2、t3和t4的开关频率可达100khz。
30.为了实现高开关频率的数字pwm调制，ntps功率主电路结构采用fpga控制，采样频率高于200khz，可以保证在每次调制开关之前实现调制波的及时更新，提升了系统的响应速度，最大限度低缩短计算延时。
31.图2示出了本实施例的ntps设备的示意图，包括上述ntps功率主电路结构、零线保护模块以及输出滤波器模块，零线保护模块采集零线上的电流信号，并传输至所述fpga 控制器；输出滤波器模块与ntps功率主电路结构电连接，并对ntps功率主电路结构的输出信号进行滤波。
32.对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
33.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。