混合硅和碳化硅整流器的调制方案

在现代，随着EV（电动汽车）和 HEV（混合动力电动汽车）领域的所有进步对具有高功率密度和效率的转换器的需求已经增加，尤其是在电动汽车充电点的并网系统中。WBG（宽带隙）器件满足所有这些要求，因为它们具有低损耗和快速开关能力以及非常好的热稳定性，但由于成本高，这些器件并未广泛用于开发转换器 。SiC MOSFET 的成本是 Si IGBT 的两倍，但其高电流范围是 Si IGBT 的 8 倍。为了降低成本问题，现在的重点是混合硅和碳化硅器件。介绍了一种三级两级去耦有源中性点钳位（3L-TBANPC）。这实际上有助于利用 SiC MOSFET 的快速开关和 Si IGBT 的低成本。Si 和 SiC 转换器能够提供与全 SiC MOSFET 转换器相同的效率。

基本混合拓扑

3L-ANPC整流器电路图如图1所示，由六个开关组成。3L-ANPC常用的开关状态如下表所示。1 表示高电平或导通状态，0 表示开关的低电平或关断状态。由于有许多开关处于 0 状态，这表明在低电平状态下可以使用不同的开关生成不同的调制方案 。

图：1. 3L-ANPC整流器

表：3L-ANPC 的切换状态

调制方案

提出了两种调制方案，其想法是观察哪些开关工作在基频上，哪些开关工作在较高频率上。在第一种调制方案中，使用了开关状态 P、PZ2、NZ2 和 Z。结果表明，对于正半周开关，S 5和S 3处于导通状态，S 6和S 4处于关断状态，其中S 1和S 2是互补对。对于负半周，S 3和S 4是互补对。所以 S 5和 S 6工作在基频，开关损耗与 S 1 -S 4 相关。

在第二种调制方案中，使用了开关状态 P、PZ1、NZ1 和 N。结果表明开关S 1 -S 4接收到相同的门控信号，所以这里S 5和S 6是互补对。S 5和S 6的开关损耗较高。

降低开关损耗的有效方法是将 SiC MOSFET 用于高频操作的开关，而不是 Si IGBT。4-SiC 混合 3-L-ANPC 整流器如图 2 所示，2-SiC 混合 3-L-ANPC 整流器如图 3 所示，分别用于第一和第二调制方案。

改进的调制方案

普通调制方案和改进调制方案之间的区别在于零电平输出时的公共零 (CZ) 状态操作 [6]。对于 CZ 操作，电流流过 S 5和 S 2或 S 6和 S 3，并且在特定温度下，Si MOSFET 和 SiC MOSFET 提供的电阻几乎相等，这意味着当它们连接在平行[1]。

在上述第一调制方案中，开关S 5和S 6工作在基频，而开关S 1至S 4工作在高频。4-SiC 混合 3L-ANPC 整流器将用于改进调制，如图 2 所示。这次我们在零电平引入 CZ 状态而不是 PZI。因此，在正半周期的开始，三个开关 S 1 S 3 S 5处于接通状态，而开关 S 2 S 4 S 6处于断开状态。在 S 1关断期间，电流流过与 S 1相连的二极管. 在S 2 导通期间，桥臂电压和S 6的漏源电压达到零，这意味着S 6 的导通是一个ZVS 操作[1]。开关损耗没有改变，但电容器的电容器充放电损耗仍然存在，但由于使用了碳化硅材料，这些损耗可以忽略不计。

在第二种调制方案中，S 1到 S 4工作在基频，S 5和 S 6工作在高频，因此这里将使用 2-SiC 混合 3L-ANPC 整流器来改进调制，如图 3 所示。对于零电平操作，将使用 CZ 状态。在第一种调制方案中，开关 S 1 S 3 S 5接通，开关 S 2 S 4 S 6断开。首先，在 S 5关断期间，电流将流过与其相连的二极管。然后 S 6将打开并且 S 1将关闭，因此桥臂电压达到零。S 5将关闭，因为没有电流流过 S 5，所以它是 ZCS 操作。S 2两端的电压为零，这意味着开启S 2是一个ZVS 操作[1]。在这种新的调制方案中，开关损耗不会增加，但电容器的充电和放电损耗仍然存在，但这些损耗可以忽略不计。

图 2：4-SiC 混合 3L-ANPC 整流器

图 3：2-SiC 混合 3L-ANPC 整流器

整流器比较

2-SiC 混合整流器 P 和 CZ 状态转换所需的步数比 4-SiC 混合整流器所需的步数多，这往往会增加死区时间，电容器的充电放电损耗也增加，但传导损耗降低 [1]。在 4-SiC 混合整流器中，充电放电损耗保持不变，传导损耗比 2-SiC 混合方案降低得更多。因此，4-SiC 混合调制方案可以提供更高的效率，但该方案不能应用于逆变器

实验结果和原型

图 4 显示了用于评估所提出的调制方案的效率的原型。建议的原型具有 2KW 的额定功率和 800V 的直流电压。输入为 220V AC，频率为 50Hz，开关频率为 40Hz [1]。分别为1.4mH和4.7uF的滤波电感和电容。结果表明，在S 6导通和关断期间改进调制方案，漏源电压为零，因此开关损耗不会增加。电容器的充电放电损耗也不会改变。由于漏源电压的明显尖峰，该方案不适用于逆变器。结果还表明，效率提高了 0.05% 到 0.2% [1]。

图 4：Si & SiC 混合 3L-ANPC 转换器

结论

由于使用 SiC 器件，改进的调制方案降低了传导和开关损耗。结果表明，4-SiC混合3L-ANPC整流器可以获得更高的效率。效率提高了 0.05% 到 0.2%。改进的调制方案有一个缺点：由于电压尖峰问题，它不能应用于逆变器应用。

审核编辑：郭婷