使用SiC的五電平單相轉(zhuǎn)換器可降低開關(guān)電壓應(yīng)力

隨著技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備必須繼續(xù)具有出色的性能和效率。盡管傳統(tǒng)的多電平轉(zhuǎn)換器 ( MLC ) 滿足了這些需求，但它們?nèi)匀恍枰罅康?a href="ttokpm.com/article/special/" target="_blank">電力電子開關(guān)和支持電路，并且系統(tǒng)復(fù)雜，所有這些都會導(dǎo)致額外的成本和龐大的系統(tǒng)。本文討論了一種有效的 MLC 修改，它使用先進(jìn)技術(shù)來增強(qiáng)傳統(tǒng)類型的轉(zhuǎn)換器。

MLC 是一種從低壓組件生成高壓波形的技術(shù)。它使用需要中等功率的設(shè)備，適用于使用高功率的應(yīng)用。MLC 具有多種優(yōu)勢，例如改善輸出波形、減少諧波和降低開關(guān)損耗。在需要大量功率和中低電壓范圍的區(qū)域中，它們是最佳選擇。MLC 可用于工業(yè)中的 AC/AC 應(yīng)用，以在穩(wěn)壓器中提供具有單位功率因數(shù)的正弦波輸入電流，并保護(hù)計(jì)算機(jī)、醫(yī)療儀器和通信裝置等敏感設(shè)備免受劣質(zhì)電源的影響。DC/AC MLC 用于天然氣、石油、采礦和海洋工業(yè)。在可再生能源低功耗應(yīng)用中，MLC 是解決效率問題的有效解決方案。

MLC 具有三種類型的拓?fù)洌猴w跨電容器(FC)、中點(diǎn)鉗位 (NPC) 和級聯(lián) H 橋?？梢孕薷?NPC 型拓?fù)湟援a(chǎn)生稱為 T 型拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換器。雖然這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降低了傳導(dǎo)損耗（NPC 的一個缺點(diǎn)），但它仍然存在高開關(guān)損耗。隨后，研究人員提出了一種五電平系統(tǒng)，只需修改三電平 T 型拓?fù)?，即可最大限度地降低開關(guān)電壓應(yīng)力。它包含了 T 型的所有優(yōu)點(diǎn)，包括即興的波形和減少諧波。在進(jìn)一步修改后，提出了一個專注于高開關(guān)損耗的系統(tǒng)：一個 T 型高效轉(zhuǎn)換器，其中外部開關(guān)被 SiC MOSFET 取代。

T型轉(zhuǎn)換器的形成

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(diǎn)“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。以相同的方式，使用S 4a、開關(guān)S 2a的發(fā)射極端子和在點(diǎn)“y”處的S 3a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?yàn)闆]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(jì)算公式為：

V ab = V a0 - V b0

為了便于控制，需要互補(bǔ)邏輯的對稱性是通過選擇合適的開關(guān)編號來實(shí)現(xiàn)的。為了同時停止導(dǎo)通，定義了開關(guān)限制。所以，我們有：

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(diǎn)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(dú)立，可以用于形成多相轉(zhuǎn)換器。

五電平單相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 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。下圖顯示了新型轉(zhuǎn)換器的一條腿的輸出和電壓輸出。

圖 6：新型轉(zhuǎn)換器的單腳輸出和電壓輸出

不同五級拓?fù)?/strong>的比較