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

描述

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]。

MOSFET

图:1. 3L-ANPC整流器

MOSFET

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。

MOSFET

图2:4-SiC混合3L-ANPC整流器

MOSFET

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

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