在五电平单相转换器中使用SiC降低开关电压应力

传统的多电平转换器 ( MLC ) 为设备提供了跟上先进技术所需的高性能和效率，但其复杂的系统和大量所需的电力电子开关和支持电路会导致额外的成本和庞大的系统。下面，我们看一下使用先进技术增强传统转换器类型的有效 MLC 修改。

MLC 是一种从低压组件生成高压波形的技术。它使用需要中等功率的设备，适用于使用高功率的应用。MLC 具有多种优势，例如改善输出波形、减少谐波和降低开关损耗。在需要大量功率和中低电压范围的区域中，它们是最佳选择。MLC 可用于工业中的 AC/AC 应用，以在稳压器中提供具有单位功率因数的正弦波输入电流，并保护计算机、医疗仪器和通信装置等敏感设备免受劣质电源的影响。DC/AC MLC 用于天然气、石油、采矿和海洋工业。在可再生能源低功耗应用中，MLC 是解决效率问题的有效解决方案。

MLC 具有三种类型的拓扑：飞跨电容器(FC)、中点钳位 (NPC) 和级联 H 桥。可以修改 NPC 型拓扑以产生称为 T 型拓扑的转换器。虽然这种拓扑结构降低了传导损耗（NPC 的一个缺点），但它仍然存在高开关损耗。随后，研究人员提出了一种五电平系统，只需修改三电平 T 型拓扑，即可最大限度地降低开关电压应力。它包含了 T 型的所有优点，即波形状和谐波减少。在进一步修改后，提出了一个专注于高开关损耗的系统：一个 T 型高效转换器，其中外部开关被 SiC MOSFET 取代。

T型拓扑的形成

图 1：三电平腿的五电平 T 型逆变器

上图为典型的由三电平T型腿组成的单相逆变器。它总共包含八个功率器件（即S _1a –S _4a和S _1b –S _4b）和反并联二极管。该电路有两种可能的三电平支路配置：共发射极 (CE) 或共集电极 (CC)。使用这些，可以引入两个新颖的支路，使用外部的两个 SiC MOSFET 开关和两个较低额定值的 Si MOSFET 作为双向开关，如下所示。

图 2：（a）CC 配置和（b）CE 配置中的新型 T 型腿

在图 2a 中，通过在点“x”处连接 S _1a的端子、开关 S _2a的集电极端子和 S _3a的集电极端子形成一个修改的腿（Leg A） 。该配置是双向开关的CC配置。_{以同样的方式，使用S 4a}、开关S _2a的发射极端子和S _3a在点“y”处的发射极端子形成另一个修改的腿(Leg B) 。这种配置是双向开关的 CE 排列，如图 2b 所示。

一级单相T型逆变器工作原理

图 3：使用 SiC 的新型 T 型腿形成的逆变器

上图展示了一种新颖的逆变电路，一个五电平单相T型逆变器。它由两条先进的、改进的三级T型腿组成。该电路是一个简化版本，因为没有钳位二极管。在V _a0和V _b0处得到的电压电平有3个电压电平，作为输出得到的电压有5个电压电平，计算公式为：

V _ab = V _a0 - V _b0

为了便于控制，需要互补逻辑的对称性是通过选择合适的开关编号来实现的。为了同时停止导通，定义了开关限制。所以 + = 1，其中x = 1, 2 和y = a, b。

图 4：工作模式和电流路径电路

上图显示了新型逆变器支路 A 的开关状态电路。如果相应的开关闭合，Qx y为 1，如果开关打开，则为 0。相电流从直流链路的节点之一流出。根据开关状态，相应的电容器电压将出现在交流侧。经过进一步分析，可以观察到新型 T 型逆变器有助于抑制逆变器 Leg A 和 Leg B 的开关上的总电压应力。另一个积极的方面是 Leg A 和 Leg B 相互独立，可以用于形成多相转换器。

从动电平单相T型变流器的仿真结果

图 5：基于相位配置的调制方案

可以使用各种调制技术，包括也用于其他拓扑的脉宽调制方案。但在本文中，我们关注的是相位配置调制，如上图所示。通过使用 Wave 1 和 Wave 2 作为载波，为 Q1y 和 Q2y 生成开关信号。正弦调制波的相位相差 180°。

采用相位配置调制技术对 T 型五电平单相变换器进行了仿真。在输出侧连接了一个 125-V、1-kVA、0.8-lag pf、50-Hz 的负载，并使用了 200 V 的直流母线电压。从结果可以确定，在腿 A 的正电压期间，完整的直流母线电压应力仅出现在 Q2a 上，类似地，对于腿 B，在负输出期间，完整的直流母线电压应力仅出现在 Q1b 上。下图显示了一条腿的输出和新型转换器的电压输出。

图 6：新型转换器的单脚输出和电压输出

不同五级拓扑的比较

在将新型 T 型拓扑与传统 T 型、NPC、FC 和 CHB 拓扑进行比较时，需要考虑各种因素，例如所需的组件、隔离电源和钳位二极管要求。主开关的数量几乎相等，但在少数拓扑中取消了钳位二极管和电容器。这种新颖的 T 型拓扑还专注于降低电压应力，并用有利的 SiC 开关取代传统的 Si 开关。因此，在减少应力和最小化开关数量的同时，可以增加相同损耗的开关频率，从而提高转换器的效率和可靠性。

图 7：不同五级拓扑之间的比较

结论

仿真结果表明这种 T 型拓扑在所需的允许范围内的适用性。它提供了诸如钳位开关数量减少和双向开关减少等优点。这些新颖的 T 型腿拓扑显示的开关电压应力小于传统的 T 型。使用这些独立的支路可以实现多相系统，并且可以在 H 桥单元的帮助下实现更高的电压电平。此外，还可以计算损耗并与传统拓扑进行比较，从而实现高效逆变器和 AC/DC/AC 转换器。因此，可以进行研究以减少对仍面临全电压应力的开关的电压影响。

 

审核编辑：刘清