使用SiC的五电平单相转换器可降低开关电压应力

随着技术的进步，设备必须继续具有出色的性能和效率。尽管传统的多电平转换器 ( MLC ) 满足了这些需求，但它们仍然需要大量的电力电子开关和支持电路，并且系统复杂，所有这些都会导致额外的成本和庞大的系统。本文讨论了一种有效的 MLC 修改，它使用先进技术来增强传统类型的转换器。

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，包括即兴的波形和减少谐波。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型转换器的形成

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。以相同的方式，使用S 4a、开关S 2a的发射极端子和在点“y”处的S 3a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，我们有：

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。

五电平单相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 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。下图显示了新型转换器的一条腿的输出和电压输出。

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，以减少仍面临全电压应力的开关的电压影响。


审核编辑：刘清