SiC基DNPC转换器器件电压不平衡问题分析与解决

SiC、GaN MOSFET等宽带隙器件的进步，给电力电子领域带来了一场革命。这些器件具有快速开关、高电荷密度和高效设计的优点。它们在高功率应用中非常有用。中性点钳位 (NPC) 转换器也用于高电压和高功率应用。2在这种配置中，总线电压是平均分配的，这使我们可以使用低额定值的设备。在 NPC 转换器中使用 SiC MOSFET 增加了高开关频率和电荷密度的优势，但以设计问题为代价，因为在 SiC 二极管 NPC (DNPC) 的情况下，内部开关的器件电压大于外部开关）。

在本文中，将实施基于 SiC 的 10 kW DNPC 转换器。本文将讨论其在不同条件下的瞬态开关响应以及基于瞬态响应的缓冲器电路设计。1

DNPC的开关瞬态响应

图1显示了DNPC的电路图，其中开关S 1和S 4代表外部开关，S 2和S 3代表内部开关。C 1到C 4等不同的电容器是器件的振荡电容。提议的 DNPC 有一个长换向回路和一个短换向回路。3,4在这种情况下，短回路由开关 S 4、二极管 D 2和电容器 C dc2 组成，而长回路由三个开关 S 2、S 3、S 4、二极管 D 1和电容器 C直流2。为简单起见，根据参考文献 5，在导通期间，MOSFET 被建模为等效电阻器，而在关断期间，它被建模为等效电容器，其中二极管将被建模为与电容器并联放置的理想二极管. 普通半桥拓扑与 DNPC 拓扑之间的一个主要区别在于，DNPC 在长环路中有一个额外的二极管。图 2 显示了 DNPC 的两个换向回路。

图 1：DNPC 配置

图 2：DNPC 中的两个换向回路

调制方案

三级调制
DNPC有三种不同的调制方式：一种是三级调制方式，另两种是二级调制方式。我们将一一讨论它们。

图 3：三级调制拓扑

图 3 表示 DNPC 的三级调制方案。图 4 表示 S 2在不同瞬态下的关断行为。从t 2到t 3，S 2和S 3 导通，电流通过S 3和D 2。1 S 1处的电压称为V S1，它等于V Cdc1。S 4处的电压称为V S4，它等于V Cdc2。在 t 4，S 4 导通，C 2由 C dc1充电来自 S 3、S 4和 D 1。1 C 2的充电过程分为三个阶段。在第一阶段，C D1正在放电。在第二阶段，D 1 导通给C 2充电。在第三阶段，由于回路电感C D1和C 2之间的谐振，充电电流的方向发生变化，1所以C D1开始充电。当充电过程完成时，V D1为正，因此V C2大于V Cdc2。

图 4：S 2对于 +ve 电感电流的关断过程

在负电感电流期间，从t 2到t 3，S 2和S 3 导通，电流通过S 2和D 1。在此阶段，V D2为0。同样，S 1两端的电压（V S1）等于V Cdc1，S 4两端的电压（V S4）等于V Cdc2。1在t 3 处，S 2关断，电感电流对C 2和C D2充电，并对C 4放电。1当 S 4两端的电压变为 0 时，二极管开始导通，这是充电过程的第 2 阶段，在最后阶段，电流方向发生变化，如上所述。1 C D1开始充电，V D1为正，1且V C2大于V Cdc2。

图 5：S 2对于 –ve 电感电流的关断过程

两级调制
图 6 表示两种类型的两级调制。不同之处在于死区时间，因为在其中一种调制方案中，死区时间位于内部开关之间，而在第二种调制方案中，死区时间在内部开关之间重叠。

图 6：两级调制拓扑

图 7 表示正电感电流时S 2 的关断。从t 6到t 7，所有开关都处于断开状态。电流通过S 1和S 2 1的二极管，V D2为0。S 3两端的电压(V S3 ) 等于V Cdc1，S 4两端的电压(V S4 ) 等于V Cdc2。1在 t 7 时，S 3开启，C 2开始通过 C D1和 C dc1充电，而 C1通过 C dc1开始充电。1 S 4也导通，除V S2谐振在三电平调制方案中为0外，两电平调制方案中的开关过程与三电平调制1中解释的相同。1同样，在此调制方案中，V C2大于 V Cdc2。

图 7：S 2对于 +ve 电感电流的关断过程

图 8 表示当电感器电流为负时S 2 的关断。从t 4到t 5，S 1和S 2 导通，电流通过S 1和S 2，1和V D2为0。S 3两端的电压（V S3）等于V Cdc1和电压跨越S 4 (V S4 ) 等于V Cdc2。1 S 1在 t 5接通，C 1开始通过 C dc1充电. 电感器电流对C D2充电并使C 3和C 4放电。1充电完成后，电感电流开始流过D 1和S 2。在 t 6 时，S 2关断，电感电流开始对 C 1和 C D2充电并对 C 3和 C 4放电，同时 V S3和 V S4达到 0。当通过 S 2的电流达到 0 时，由于电流方向发生变化共振。1当开关振荡完成时，C D1开始充电，V D1为正，1表示 V C2大于 V dc2。

图 8：S 2对于 –ve 电感电流的关断过程

解决电压不平衡问题的缓冲电路

无源缓冲器电路用于解决不平衡的器件电压，从而钳位内部开关的器件电压。1 RCD 缓冲电路是消除半桥电压过冲危险的有效解决方案。图 9 显示了 DNPC 配置中的 RCD 缓冲器。

图 9：带有 RCD 缓冲器的 DNPC

在三电平调制中，当电感电流在 t 4处为正时，RCD 缓冲电路传导谐振电流，这使得 S 2的器件电压被 C c的电压钳位（见图 10）。

图10：带缓冲电路的三电平调制中S 2的关断过程

内部开关之间具有死区时间的两电平调制方案的电压应力较低，这使得两电平调制比死区时间重叠调制方案更好。两个内开关S 2和S 3不会同时导通，这简化了缓冲电路，并从RCD缓冲到缓冲电容器，降低其所1如示于图11在t 7至t 8，在阳性的情况下，电感电流，C 2由缓冲电容器 C c充电，直流链路电容器在 t 8 时为C 1充电. 缓冲电容器钳位内部开关的电压，因为 DNPC 中的二极管不传导充电电流。1

图 11：带有电容缓冲器的 DNPC 用于两级调制方案

图 12 显示了额定功率为 10 kW 的基于 SiC 的 DNPC 转换器的原型。使用 1,700-V SiC MOSFET 和采用 TO-247 封装的肖特基二极管，为了满足高压应用的要求，直流链路电压为 2,000 V。

图 12：基于 SiC 的 DNPC 转换器的原型

结论

本文讨论了基于 SiC 的 DNPC 转换器及其在两级和三级调制方案中的瞬态响应。SiC 器件的高开关频率增加了器件电压不平衡的缺点。提出了 RCD 缓冲器和电容器缓冲器来分别纠正三电平调制和两电平调制方案中的电压不平衡问题，它们对内部开关的器件电压进行钳位。

审核编辑：汤梓红