如何混合Si和SiC器件实现完整SiC MOSFET转换器相同效率的调制方案

在现代时代，随着电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）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[2] [3]。WBG（宽带隙）器件具有低损耗，快速切换能力和非常好的热稳定性，因此可以满足所有这些要求，但是由于成本高，这些器件并未广泛用于开发转换器[4]。SiC MOSFET的成本是其两倍，但与Si IGBT相比，它的高电流范围是其8倍。为了减少成本问题，现在的重点是混合Si和SiC器件。在[5]中，介绍了一种三级两级解耦有源中性点钳位电路（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转换器能够提供与完整SiC MOSFET转换器相同的效率。

基本混合拓扑

3L-ANPC整流器的电路图如图1所示。它由六个开关组成。下表显示了3L-ANPC常用的开关状态。1表示高或接通状态，而0表示开关的低或断开状态。由于有很多开关处于0状态，这表明在低电平状态下使用不同的开关可以生成不同的调制方案[1]。

图：1. 3L-ANPC整流器

表：3L-ANPC的开关状态

调制方案

提出了两种调制方案，其思想是观察哪些开关在基频上工作，而哪些开关在较高频率下工作。在第一调制方案中，使用开关状态P，PZ2，NZ2和Z。结果表明，对于正半周期开关，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。对于负半周期，S 3和S 4是互补对。所以S 5和S 6在基频下工作，开关损耗与S 1 -S 4有关。

在第二调制方案中，使用开关状态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，因此这里S 5和S 6是互补对。S 5和S 6中的开关损耗较高。

降低开关损耗的有效方法是使用SiC MOSFET代替Si IGBT来工作在高频下的开关。分别针对第一和第二调制方案，图2中显示了4-SiC混合3L-ANPC整流器，图3中显示了2-SiC混合3L-ANPC整流器。

改进的调制方案

正常调制方案和改进的调制方案之间的区别是零电平输出处的共零（CZ）状态操作[6]。对于CZ动作的电流或者流至S 5和S 2或S 6和S 3和在特定温度下的Si MOSFET和SiC MOSFET所提供的阻力是几乎相等，这意味着它们被串联连接在等效电阻降低到一半并行[1]。

在上述第一调制方案中，开关S 5和S 6在基频下工作，而开关S 1至S 4在高频下工作。如图2所示，将使用4-SiC混合3L-ANPC整流器来改善调制。这次我们引入CZ状态而不是零电平的PZI。因此，在正半周开始时，三个开关S 1 S 3 S 5处于导通状态，而开关S 2 S 4 S 6处于关断状态。在S 1关断期间，电流流过与S 1相连的二极管。期间S的转2桥臂电压和S的漏极-源极电压6达到零，这意味着在S的转动6是一个ZVS操作[1]。开关损耗不变，但是电容器的电容器充放电损耗仍然存在，但是由于使用SiC材料，这些损耗可以忽略不计。

在第二调制方案中，S 1至S 4在基频下工作，S 5和S 6在高频下工作，因此，如图3所示，此处将使用2-SiC混合3L-ANPC整流器来改善调制效果。对于零电平操作，将使用CZ状态。如在第一调制方案中那样，开关S 1 S 3 S 5为接通，而开关S 2 S 4 S 6为断开。首先，在S 5关断期间，电流将流经与其相连的二极管。然后S 6将打开，而S 1将关闭，结果是桥臂电压达到零。S 5将关闭，并且由于没有电流流过S 5，因此它是ZCS操作。S 2两端的电压为零，这意味着S 2的导通是ZVS操作[1]。在这种新的调制方案中，开关损耗不会增加，但是电容器的充电和放电损耗仍然存在，但是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混合整流器在P和CZ状态之间转变所需的步数要多于4-SiC混合整流器所需的步数，这往往会增加死区时间，电容器的充电放电损耗也增加，但电容器的充电损耗却增加了。传导损耗减少[1]。在4-SiC混合整流器中，充电放电损耗保持不变，并且传导损耗的降低幅度甚至超过了2-SiC混合方案。因此，4-SiC混合调制方案可以提供更高的效率，但是该方案无法应用于逆变器

实验结果和原型

图4显示了用于评估建议的调制方案效率的原型。拟议的原型具有2KW的额定功率和800V的直流电压。输入为220V AC，频率为50 Hz，开关频率为40Hz [1]。滤波电感和电容分别为1.4mH和4.7uF。结果表明，在S 6导通和关断期间采用改进的调制方案时，漏极-源极电压为零，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。由于漏极源极电压尖峰，此方案不适用于逆变器。结果还表明，效率提高了0.05％至0.2％[1]。

图4：Si和SiC混合3L-ANPC转换器

结论

改进的调制方案减少了由于使用SiC器件而引起的传导和开关损耗。结果表明，4-SiC混合3L-ANPC整流器可以实现更高的效率。效率提高了0.05％至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。

参考

[1]具有低传导损耗的“ Si＆SiC”混合3L有源NPC整流器的改进调制方案楼秀涛，陈光，张立，赵凤辰，吴峰能源与电气工程学院，河海大学，南京211100，

[2] L. Zhang，Z。Zheng，C。Li，P。Ju，F。Wu，Y。Gu，和G. Chen，“具有改进调制方案的Si＆SiC混合五电平有源NPC逆变器”，IEEE Trans 。电力电子。，2019，抢先体验。

[3] L. Zhang，K。Sun，X。Y. Xing和J. Zhao，“具有通用DC总线和AC总线的模块化单相无变压器并网光伏逆变器的并联操作”，在IEEE新兴期刊和精选主题中在电力电子学，卷。3号 2015年12月，第4卷，第858-869页。

[4] C. Li，Q。Guan，J。Lei，C。Li，Zhang，S。Wang，D。Xu，W。Li，H。Ma，“ SiC MOSFET和Si二极管混合三相“高功率三电平整流器”，《 IEEE电力电子学报》，第1卷。34号 》，第7卷，第6076-6087页，2019年7月。

[5] D. Zhang，J。He和S. Madhusoodhanan，“具有Si IGBT和SiC MOSFET的三级两级去耦有源NPC转换器”，2017年IEEE能量转换大会暨展览会（ECCE），俄亥俄州辛辛那提，2017年，第5671-5678页。

[6] J. He，D。Zhang和D. Pan，“一种用于大功率高频应用中“ SiC + Si”三电平有源中性点钳位转换器的改进的PWM方案”，2018 IEEE能量转换大会和博览会（ECCE），俄勒冈州波特兰，2018年，第5235-5241页。

编辑：hfy