在五電平單相轉(zhuǎn)換器中使用SiC降低開關(guān)電壓應(yīng)力

圖 1：三電平腿的五電平 T 型逆變器

上圖為典型的由三電平T型腿組成的單相逆變器。它總共包含八個功率器件（即S _1a –S _4a和S _1b –S _4b）和反并聯(lián)二極管。該電路有兩種可能的三電平支路配置：共發(fā)射極 (CE) 或共集電極 (CC)。使用這些，可以引入兩個新穎的支路，使用外部的兩個 SiC MOSFET 開關(guān)和兩個較低額定值的 Si MOSFET 作為雙向開關(guān)，如下所示。

圖 2：（a）CC 配置和（b）CE 配置中的新型 T 型腿

在圖 2a 中，通過在點“x”處連接 S _1a的端子、開關(guān) S _2a的集電極端子和 S _3a的集電極端子形成一個修改的腿（Leg A） 。該配置是雙向開關(guān)的CC配置。_{以同樣的方式，使用S 4a}、開關(guān)S _2a的發(fā)射極端子和S _3a在點“y”處的發(fā)射極端子形成另一個修改的腿(Leg B) 。這種配置是雙向開關(guān)的 CE 排列，如圖 2b 所示。

一級單相T型逆變器工作原理

圖 3：使用 SiC 的新型 T 型腿形成的逆變器

上圖展示了一種新穎的逆變電路，一個五電平單相T型逆變器。它由兩條先進(jìn)的、改進(jìn)的三級T型腿組成。該電路是一個簡化版本，因為沒有鉗位二極管。在V _a0和V _b0處得到的電壓電平有3個電壓電平，作為輸出得到的電壓有5個電壓電平，計算公式為：

V _ab = V _a0 - V _b0

為了便于控制，需要互補邏輯的對稱性是通過選擇合適的開關(guān)編號來實現(xiàn)的。為了同時停止導(dǎo)通，定義了開關(guān)限制。所以 + = 1，其中x = 1, 2 和y = a, b。

圖 4：工作模式和電流路徑電路

上圖顯示了新型逆變器支路 A 的開關(guān)狀態(tài)電路。如果相應(yīng)的開關(guān)閉合，Qx y為 1，如果開關(guān)打開，則為 0。相電流從直流鏈路的節(jié)點之一流出。根據(jù)開關(guān)狀態(tài)，相應(yīng)的電容器電壓將出現(xiàn)在交流側(cè)。經(jīng)過進(jìn)一步分析，可以觀察到新型 T 型逆變器有助于抑制逆變器 Leg A 和 Leg B 的開關(guān)上的總電壓應(yīng)力。另一個積極的方面是 Leg A 和 Leg B 相互獨立，可以用于形成多相轉(zhuǎn)換器。

從動電平單相T型變流器的仿真結(jié)果

圖 5：基于相位配置的調(diào)制方案

可以使用各種調(diào)制技術(shù)，包括也用于其他拓?fù)涞拿}寬調(diào)制方案。但在本文中，我們關(guān)注的是相位配置調(diào)制，如上圖所示。通過使用 Wave 1 和 Wave 2 作為載波，為 Q1y 和 Q2y 生成開關(guān)信號。正弦調(diào)制波的相位相差 180°。

采用相位配置調(diào)制技術(shù)對 T 型五電平單相變換器進(jìn)行了仿真。在輸出側(cè)連接了一個 125-V、1-kVA、0.8-lag pf、50-Hz 的負(fù)載，并使用了 200 V 的直流母線電壓。從結(jié)果可以確定，在腿 A 的正電壓期間，完整的直流母線電壓應(yīng)力僅出現(xiàn)在 Q2a 上，類似地，對于腿 B，在負(fù)輸出期間，完整的直流母線電壓應(yīng)力僅出現(xiàn)在 Q1b 上。下圖顯示了一條腿的輸出和新型轉(zhuǎn)換器的電壓輸出。

圖 6：新型轉(zhuǎn)換器的單腳輸出和電壓輸出

不同五級拓?fù)?/font>的比較

在將新型 T 型拓?fù)渑c傳統(tǒng) T 型、NPC、FC 和 CHB 拓?fù)溥M(jìn)行比較時，需要考慮各種因素，例如所需的組件、隔離電源和鉗位二極管要求。主開關(guān)的數(shù)量幾乎相等，但在少數(shù)拓?fù)渲腥∠算Q位二極管和電容器。這種新穎的 T 型拓?fù)溥€專注于降低電壓應(yīng)力，并用有利的 SiC 開關(guān)取代傳統(tǒng)的 Si 開關(guān)。因此，在減少應(yīng)力和最小化開關(guān)數(shù)量的同時，可以增加相同損耗的開關(guān)頻率，從而提高轉(zhuǎn)換器的效率和可靠性。

圖 7：不同五級拓?fù)渲g的比較

結(jié)論

仿真結(jié)果表明這種 T 型拓?fù)湓谒璧脑试S范圍內(nèi)的適用性。它提供了諸如鉗位開關(guān)數(shù)量減少和雙向開關(guān)減少等優(yōu)點。這些新穎的 T 型腿拓?fù)滹@示的開關(guān)電壓應(yīng)力小于傳統(tǒng)的 T 型。使用這些獨立的支路可以實現(xiàn)多相系統(tǒng)，并且可以在 H 橋單元的幫助下實現(xiàn)更高的電壓電平。此外，還可以計算損耗并與傳統(tǒng)拓?fù)溥M(jìn)行比較，從而實現(xiàn)高效逆變器和 AC/DC/AC 轉(zhuǎn)換器。因此，可以進(jìn)行研究以減少對仍面臨全電壓應(yīng)力的開關(guān)的電壓影響。

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審核編輯：劉清