碳化硅和硅混合五电平单向整流器

随着云计算的概念越来越流行，数据量越来越大，数据中心每天都在改进，最终开始以更快的速度增长。它们已成为最大和最快的能源消耗来源，而 UPS（不间断电源）在其中发挥着重要作用 [2][3]。过多的铜会导致损耗，最终会增加电力输送基础设施的资本成本 [3]。中压交流电代替低压交流电 LV AC，已被用作数据中心的配电电压，因为它适用于 UPS 应用 [1][3][4]。图 1 清楚地显示了 MV UPS 的结构。图 2 描述了在五电平拓扑中使用的整流器。请访问此页面以获取原始文章。

图 1：中压 UPS 结构

对于具有 MV 高功率 AFE 的应用，一些可能的最佳解决方案是多电平转换器。它们的实际拓扑结构 [5] [6] 基于以下类别：

1. 用于降低电压应力和 dv/dt 应力的转换器
2. 转换器最小化滤波器和谐波的尺寸
3. 降低开关损耗的转换器

以下是与 MV 应用相关的问题列表，特别是在这些拓扑中使用 WBG 设备时：

1. 需要大量SiC MOSFET或需要高速高压二极管[7]-[15]
2. WBG 半导体的额定电压没有降低 [7][9]-[15]
3. 需要具有额外直流链路的电压平衡电路 [9]-[15]

图 2：5 电平单向整流器

建议的中压整流器

图 3a 和 3b 显示了源自五级 ANPC [16] 的拓扑结构。在它们中观察到的一个显着差异是二极管 D5 至 D8 代替了四个开关。应该注意的是，阻止一部分直流传输电压的二极管 D5 到 D8 使用的是基本的硅二极管，而不是快速二极管，例如，碳化硅肖特基二极管 [1]。在这一点上，Q1 到 Q4 的变化是使用 SiC MOSFET 而不是 Si MOSFET。因此，每级电路包括四个 SiC MOSFET 和四个常规 Si 二极管。此外，额外的缓冲电容器C_小号相邻于Q1和Q2，其具有用于所提出的整流器[1]中起关键作用加入。

图 3：(a) 显示了传统的 5-L ANPC，(b) 显示了单向整流器。

拟议整流器的运行

Theis Si 二极管整流器及其反向损耗恢复策略展示了如何限制开关损耗。四个开关状态可以由本质上互补的有源开关对形成。表 1 显示了明显有助于产生每个电压电平的门控策略。

表 1：整流器模式

已经注意到，当输入状态的电流为正时，二极管 D6 和 D8 总是关闭的。这种处于开关状态的转换进一步分为四种情况，即

1. V0 (+0) 和 V2 (+1) 之间的开关状态转换
2. V0 (+0) 和 V1 (+1) 之间的开关状态转换
3. V2 (+1) 和 V3 (+2) 之间的开关状态转换
4. V1 (+1) 和 V3 (+2) 之间的开关状态转换

当过零时，Si 二极管会反向阻断相电流 [1]。同时，级电流将释放或充电该级所有硅二极管结点处的电容器。每个电容器都包括谐振与晶格侧沟道电感器Lin。在任何情况下，所有 Si 二极管都可以被视为处于零电流开关 (ZCS) 条件下，与开关相关的不幸仍然有限，因为在此跨度期间电流幅度非常低 [1]。

仿真验证和实验结果

仿真和实验证明了功能和效率性能。表 2 描述了模拟和实验的规格。整流器额定功率2MW，直流母线电压5kV，电网线电压3.3kV；这些值用于运行电气模拟。该系列整流器用于大功率应用，例如数据中心的 UPS。[1]。

表 2：模拟和原型规格

• 仿真结果

1.4mH 电感是为了将相电流的 THD 总谐波失真降低到 3% 以内。很明显，已经采用了 1.7kV CREE-CAS300M17BM2）的 SiC MOSFET 模块和 3.3kV 的二极管模块（Infineon-DD500S33HE3）[1]。图 4 显示了满足 3% 的 THD 约束的相电流的 FFT 分析，而图 5 显示了不同器件的损耗，清楚地证明了在四个 SiC MOSFET 上存在硬开关 [1]。可以注意到，在该应用中，建议的整流器的效率为 99.75%。

图 4：FFT 分析

图 5：配电功率损耗

• 原型和结果

图 6 说明了按比例缩小的 2.5kVA 三相实验原型，该原型被设计和测试用于验证所提出的拓扑结构和原型的单相电路。图 7 清楚地显示了所提出的原理图 [1] 的整流器侧、直流侧和电网侧的实验波形。图 8 显示了在不同负载下产生的结果和电容器电压的波形。2.5kW 额定负载时输入相电流的 THD 为 2.64%，而 1.1kW 轻载时输入相电流的 THD 为 5.66% [1]。

图 6：原型。

图 7：来自建议整流器的波形

图 8：不同负载下的响应

结论

本文分析了混合五电平状态下由SiC MOSFET和Si二极管组成的单向整流器。开通损耗和反向恢复损耗的消除降低了成本。SiC MOSFET 上的电压已被有效钳位。与其他可能的混合单向整流器相比，每相需要两个额定电压相对较低的 SiC 功率模块和两个 Si 二极管功率模块。已经介绍了操作原理和模拟。事实证明，该电路在高功率密度MV AFE的存在下具有良好的结构。

　　审核编辑：汤梓红