离网场景下SiC MOSFETs应用于三相四桥臂变流器的优势

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工商业侧储能正以其经济性，电网友好性等特点蓬勃发展，其中离网应用场景下，不平衡负载带载能力，谐波畸变度等都是其PCS的重要指标。三相四桥臂（3P4L）变流器具有最强的不平衡负载能力，但对比三相三线（3P3W）系统，成本增加，谐波畸变度更高。SiC MOSFETs由于其优越的材料特性与器件特性，相较IGBT可大幅提升开关频率，本文通过理论分析结合仿真结果说明SiC MOSFETs更加适用于三相四桥臂变流器，是更具性价比的方案选择。

 

 

 

 

梗概

 

随着全球低碳化的进程，可再生能源发电占比及渗透率越来越高，此种背景下，储能系统的引入有效抑制了新能源发电的波动性，PCS作为储能系统的核心装置应用广泛。在工商业应用里，存在单相负载与三相不平衡负载，为了满足单相供电需求以及对三相不平衡电压的抑制，三相四线变流器拓扑是非常必要的，常见的拓扑形式有以下几种：

 

 a)三桥臂分裂电容式拓扑

b) 平衡桥臂拓扑

图一

 

分裂电容式拓扑，由于N线电流流过母线电容，电容容量需求增大，且直流电压利用率较低，谐波畸变较大，抑制三相不平衡能力相对有限，平衡桥臂式拓扑通过硬件电路增强中点平衡控制能力，带不平衡负载能力得到一定加强。

 

图二、三相四桥臂拓扑

 

三相四桥臂拓扑，也为本文主要研究拓扑，增加了第四桥臂以增加控制自由度，电容容量的需求小于前者。可采用3d-SVPWM调制或三次谐波注入的载波调制方法，将三相解耦为独立的单相控制，可以处理100%的不平衡电流，直流电压利用率也得到了提升，但谐波表现依旧差于三相三线拓扑，需要采用合适功率器件与拓扑来改善。

 

SiC材料对比Si材料具有更高的电子漂移速率，同时SiC MOSFET由于其单极性导电特性，不存在IGBT关断时的拖尾现象，Eoff相较IGBT大幅减小，SiC二极管反向恢复能量很小，因此SiC MOSFET的开通损耗也远小于Si IGBT，下图为同电流规格的SiC MOSFET与IGBT开关损耗的基准对比，相同电流情况下SiC MOSFET显示出更优的开关损耗以及更小的温度相关性。

 

由于IGBT pnpn的四层结构，导通特性存在一个转折压降，而SiC MOSFET的输出特性曲线类似于一条正比例直线，在小电流区域内，SiC MOSFET具有明显更小的导通损耗，对比如下图。

 

图三、同电流规格SiC MOSFET与IGBT损耗对比

 

三相四桥臂变流器与三相三桥臂变流器输出的相电压电流波形如下，三相四桥臂拓扑电压台阶减少，谐波畸变更大，在相同的滤波器参数下，3P4L拓扑的输出电流THD较3P3L拓扑变差49.5%，因此对于3P4L变流器，为满足系统谐波要求，如果采用IGBT方案需要应用多重化拓扑或三电平拓扑，都会大大增加系统成本，而采用SiC MOSFETs方案，由于开关频率的显著提升，两电平拓扑即可满足系统谐波需求，本文应用PLECS仿真，定量对比三电平三相四桥臂IGBT方案与两电平三相四桥臂SiC MOSFET方案，采用同等电流规格分立器件，SiC MOSFETs方案在系统效率，电流谐波畸变，滤波器参数选择，器件温升层面都具有一定优势，以此说明在三相四桥臂拓扑下SiC方案的价值所在。

 

a) 3P3L拓扑输出相电压相电流波形，电流THD=3.23%

b) 3P4L拓扑输出相电压相电流波形，电流THD=4.83%

图四