EMI案例：交错并联SiC逆变器的环流纹波预测模型

交错并联SiC逆变器的环流纹波预测及ZVS控制策略

研究背景

软开关技术是进一步突破SiC基电力电子装置开关频率上限、提升装置功率密度的重要技术手段。此外，软开关技术可以对PWM脉冲序列以及开关电气应力进行主动配置，也是实现EMI噪声主动抑制的有效措施。根据双脉冲测试得知，SiC MOSFET的开通损耗通常远大于其关断损耗。因此，零电压开通技术（ZVS）在SiC基电力电子变换器领域得到大量研究，并成功应用在DC/DC变换器、图腾柱PFC整流器、单相整流器和单相逆变器等拓扑。然而，由于三相逆变器输出电流纹波的强耦合，相关技术难以直接应用在三相变换器领域。本期的内容重点介绍了一种基于环流纹波预测模型的零电压开通控制策略，能够实现交错并联SiC逆变器全工况下的零电压开通。

成果简介

桥臂的开关电流本质上可以通过采样的基波电流和预测的电流纹波进行重构得到。基于该思想，提出了交错并联SiC逆变器的环流纹波预测模型及桥臂电流实时重构方法，实现了桥臂开关电流与输出三相电流纹波间的解耦。利用PWM开关频率自由度，以交错并联SiC逆变器零电压开通为控制目标，设计了变开关频率脉宽调制技术，实现了变换器全工况范围内的零电压开通。该方法并不需要额外的硬件辅助电路，纯属于软件算法的创新，易于实现，开关频率变化范围小和传导EMI峰值降低等优点，具有一定的研究价值和应用前景。

亮点提炼

基于高频环流纹波预测模型，以ZVS为目标设计变开关频率脉宽调制技术，可实现三相变换器的全工况ZVS运行，并有效抑制传导EMI峰值。

为使所有SiC器件实现ZVS，电感电流必须在上桥臂开通前流入中点，并在下桥臂开通前流出。针对于交错并联SiC逆变器，环流纹波的引入可以灵活改变电感电流方向和大小，为所有SiC器件的ZVS运行提供了自由度。基于高频环流纹波模型，利用PWM开关频率自由度，实现对环流纹波幅值的精准控制，并获得临界开关频率。为确保并联逆变器中的所有SiC器件均工作在ZVS，最终须采用三相中最低的临界开关频率作为系统实际运行的开关频率。该方法能保证三相SiC变换器全工况下的ZVS运行，并能实现传导EMI峰值的有效抑制。该工作属于高密度交错并联SiC逆变器EMI噪声主动抑制的前期工作，变换器效率与EMI抑制效果仍有很大的提升空间。

图1 并联SiC逆变器环流纹波预测与ZVS控制策略

图2 并联SiC逆变器ZVS实验波形

图3 所提策略（VSFPWM）与传统固定频率PWM（CSFPWM）传导EMI对比示意图

[1] Q. Li, Y. Ma, X. Zhao, D.Jiang and Y. Zhang, "VSFPWM Based on Circulating Current Ripple Predictionfor ZVS in Two Paralleled Grid-Tied Inverters With Coupled Inductors,"in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 70, no. 1, pp.39-51, Jan. 2023. 

前景与应用 

交错并联SiC逆变器的环流纹波预测及ZVS控制策略主要从软件算法上对PWM序列进行了控制，在保证ZVS运行的同时，通过开关频率的小范围变化，实现了传导EMI峰值的有效抑制，具有较好研究价值和应用前景。

完成人介绍

李桥，湖南大学电气与信息工程学院副教授，湖南大学岳麓学者，中国电源学会电磁兼容委员会委员。主要从事电力电子系统电磁兼容、高频高密度功率变换器与智能传感相关的研究，近年来发表SCI/EI论文20多篇，获发明专利奖3项，主持国家自然科学基金项目1项。担任包括IEEE Trans. IndustrialElectronics、IEEE Trans. Power Electronics、IEEE Trans. IndustryApplication、IET Power Electronics在内的多个国际权威期刊的审稿人。联系邮箱：[e-mail]

编辑：黄飞