在五電平單相轉換器中使用SiC降低開關電壓應力

傳統的多電平轉換器 ( MLC ) 為設備提供了跟上先進技術所需的高性能和效率，但其復雜的系統和大量所需的電力電子開關和支持電路會導致額外的成本和龐大的系統。下面，我們看一下使用先進技術增強傳統轉換器類型的有效 MLC 修改。

MLC 是一種從低壓組件生成高壓波形的技術。它使用需要中等功率的設備，適用于使用高功率的應用。MLC 具有多種優(yōu)勢，例如改善輸出波形、減少諧波和降低開關損耗。在需要大量功率和中低電壓范圍的區(qū)域中，它們是最佳選擇。MLC 可用于工業(yè)中的 AC/AC 應用，以在穩(wěn)壓器中提供具有單位功率因數的正弦波輸入電流，并保護計算機、醫(yī)療儀器和通信裝置等敏感設備免受劣質電源的影響。DC/AC MLC 用于天然氣、石油、采礦和海洋工業(yè)。在可再生能源低功耗應用中，MLC 是解決效率問題的有效解決方案。

MLC 具有三種類型的拓撲：飛跨電容器(FC)、中點鉗位 (NPC) 和級聯 H 橋。可以修改 NPC 型拓撲以產生稱為 T 型拓撲的轉換器。雖然這種拓撲結構降低了傳導損耗（NPC 的一個缺點），但它仍然存在高開關損耗。隨后，研究人員提出了一種五電平系統，只需修改三電平 T 型拓撲，即可最大限度地降低開關電壓應力。它包含了 T 型的所有優(yōu)點，即波形狀和諧波減少。在進一步修改后，提出了一個專注于高開關損耗的系統：一個 T 型高效轉換器，其中外部開關被 SiC MOSFET 取代。

T型拓撲的形成

圖 1：三電平腿的五電平 T 型逆變器

上圖為典型的由三電平T型腿組成的單相逆變器。它總共包含八個功率器件（即S _1a –S _4a和S _1b –S _4b）和反并聯二極管。該電路有兩種可能的三電平支路配置：共發(fā)射極 (CE) 或共集電極 (CC)。使用這些，可以引入兩個新穎的支路，使用外部的兩個 SiC MOSFET 開關和兩個較低額定值的 Si MOSFET 作為雙向開關，如下所示。

圖 2：（a）CC 配置和（b）CE 配置中的新型 T 型腿

在圖 2a 中，通過在點“x”處連接 S _1a的端子、開關 S _2a的集電極端子和 S _3a的集電極端子形成一個修改的腿（Leg A） 。該配置是雙向開關的CC配置。_{以同樣的方式，使用S 4a}、開關S _2a的發(fā)射極端子和S _3a在點“y”處的發(fā)射極端子形成另一個修改的腿(Leg B) 。這種配置是雙向開關的 CE 排列，如圖 2b 所示。

一級單相T型逆變器工作原理

圖 3：使用 SiC 的新型 T 型腿形成的逆變器

上圖展示了一種新穎的逆變電路，一個五電平單相T型逆變器。它由兩條先進的、改進的三級T型腿組成。該電路是一個簡化版本，因為沒有鉗位二極管。在V _a0和V _b0處得到的電壓電平有3個電壓電平，作為輸出得到的電壓有5個電壓電平，計算公式為：

V _ab = V _a0 - V _b0

為了便于控制，需要互補邏輯的對稱性是通過選擇合適的開關編號來實現的。為了同時停止導通，定義了開關限制。所以 + = 1，其中x = 1, 2 和y = a, b。

圖 4：工作模式和電流路徑電路

上圖顯示了新型逆變器支路 A 的開關狀態(tài)電路。如果相應的開關閉合，Qx y為 1，如果開關打開，則為 0。相電流從直流鏈路的節(jié)點之一流出。根據開關狀態(tài)，相應的電容器電壓將出現在交流側。經過進一步分析，可以觀察到新型 T 型逆變器有助于抑制逆變器 Leg A 和 Leg B 的開關上的總電壓應力。另一個積極的方面是 Leg A 和 Leg B 相互獨立，可以用于形成多相轉換器。

從動電平單相T型變流器的仿真結果

圖 5：基于相位配置的調制方案

可以使用各種調制技術，包括也用于其他拓撲的脈寬調制方案。但在本文中，我們關注的是相位配置調制，如上圖所示。通過使用 Wave 1 和 Wave 2 作為載波，為 Q1y 和 Q2y 生成開關信號。正弦調制波的相位相差 180°。

采用相位配置調制技術對 T 型五電平單相變換器進行了仿真。在輸出側連接了一個 125-V、1-kVA、0.8-lag pf、50-Hz 的負載，并使用了 200 V 的直流母線電壓。從結果可以確定，在腿 A 的正電壓期間，完整的直流母線電壓應力僅出現在 Q2a 上，類似地，對于腿 B，在負輸出期間，完整的直流母線電壓應力僅出現在 Q1b 上。下圖顯示了一條腿的輸出和新型轉換器的電壓輸出。

圖 6：新型轉換器的單腳輸出和電壓輸出

不同五級拓撲的比較

在將新型 T 型拓撲與傳統 T 型、NPC、FC 和 CHB 拓撲進行比較時，需要考慮各種因素，例如所需的組件、隔離電源和鉗位二極管要求。主開關的數量幾乎相等，但在少數拓撲中取消了鉗位二極管和電容器。這種新穎的 T 型拓撲還專注于降低電壓應力，并用有利的 SiC 開關取代傳統的 Si 開關。因此，在減少應力和最小化開關數量的同時，可以增加相同損耗的開關頻率，從而提高轉換器的效率和可靠性。

圖 7：不同五級拓撲之間的比較

結論

仿真結果表明這種 T 型拓撲在所需的允許范圍內的適用性。它提供了諸如鉗位開關數量減少和雙向開關減少等優(yōu)點。這些新穎的 T 型腿拓撲顯示的開關電壓應力小于傳統的 T 型。使用這些獨立的支路可以實現多相系統，并且可以在 H 橋單元的幫助下實現更高的電壓電平。此外，還可以計算損耗并與傳統拓撲進行比較，從而實現高效逆變器和 AC/DC/AC 轉換器。因此，可以進行研究以減少對仍面臨全電壓應力的開關的電壓影響。

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審核編輯：劉清