在現(xiàn)代，隨著EV（電動汽車）和 HEV（混合動力電動汽車）領(lǐng)域的所有進(jìn)步對具有高功率密度和效率的轉(zhuǎn)換器的需求已經(jīng)增加，尤其是在電動汽車充電點的并網(wǎng)系統(tǒng)中。WBG（寬帶隙）器件滿足所有這些要求，因為它們具有低損耗和快速開關(guān)能力以及非常好的熱穩(wěn)定性，但由于成本高，這些器件并未廣泛用于開發(fā)轉(zhuǎn)換器 。SiC MOSFET 的成本是 Si IGBT 的兩倍，但其高電流范圍是 Si IGBT 的 8 倍。為了降低成本問題，現(xiàn)在的重點是混合硅和碳化硅器件。介紹了一種三級兩級去耦有源中性點鉗位（3L-TBANPC）。這實際上有助于利用 SiC MOSFET 的快速開關(guān)和 Si IGBT 的低成本。Si 和 SiC 轉(zhuǎn)換器能夠提供與全 SiC MOSFET 轉(zhuǎn)換器相同的效率。

基本混合拓?fù)?/p>

3L-ANPC整流器電路圖如圖1所示，由六個開關(guān)組成。3L-ANPC常用的開關(guān)狀態(tài)如下表所示。1 表示高電平或?qū)顟B(tài)，0 表示開關(guān)的低電平或關(guān)斷狀態(tài)。由于有許多開關(guān)處于 0 狀態(tài)，這表明在低電平狀態(tài)下可以使用不同的開關(guān)生成不同的調(diào)制方案 。

圖：1. 3L-ANPC整流器

表：3L-ANPC 的切換狀態(tài)

調(diào)制方案

提出了兩種調(diào)制方案，其想法是觀察哪些開關(guān)工作在基頻上，哪些開關(guān)工作在較高頻率上。在第一種調(diào)制方案中，使用了開關(guān)狀態(tài) P、PZ2、NZ2 和 Z。結(jié)果表明，對于正半周開關(guān)，S 5和S 3處于導(dǎo)通狀態(tài)，S 6和S 4處于關(guān)斷狀態(tài)，其中S 1和S 2是互補對。對于負(fù)半周，S 3和S 4是互補對。所以 S 5和 S 6工作在基頻，開關(guān)損耗與 S 1 -S 4 相關(guān)。

在第二種調(diào)制方案中，使用了開關(guān)狀態(tài) P、PZ1、NZ1 和 N。結(jié)果表明開關(guān)S 1 -S 4接收到相同的門控信號，所以這里S 5和S 6是互補對。S 5和S 6的開關(guān)損耗較高。

降低開關(guān)損耗的有效方法是將 SiC MOSFET 用于高頻操作的開關(guān)，而不是 Si IGBT。4-SiC 混合 3-L-ANPC 整流器如圖 2 所示，2-SiC 混合 3-L-ANPC 整流器如圖 3 所示，分別用于第一和第二調(diào)制方案。

改進(jìn)的調(diào)制方案

普通調(diào)制方案和改進(jìn)調(diào)制方案之間的區(qū)別在于零電平輸出時的公共零 (CZ) 狀態(tài)操作 [6]。對于 CZ 操作，電流流過 S 5和 S 2或 S 6和 S 3，并且在特定溫度下，Si MOSFET 和 SiC MOSFET 提供的電阻幾乎相等，這意味著當(dāng)它們連接在平行[1]。

在上述第一調(diào)制方案中，開關(guān)S 5和S 6工作在基頻，而開關(guān)S 1至S 4工作在高頻。4-SiC 混合 3L-ANPC 整流器將用于改進(jìn)調(diào)制，如圖 2 所示。這次我們在零電平引入 CZ 狀態(tài)而不是 PZI。因此，在正半周期的開始，三個開關(guān) S 1 S 3 S 5處于接通狀態(tài)，而開關(guān) S 2 S 4 S 6處于斷開狀態(tài)。在 S 1關(guān)斷期間，電流流過與 S 1相連的二極管. 在S 2 導(dǎo)通期間，橋臂電壓和S 6的漏源電壓達(dá)到零，這意味著S 6 的導(dǎo)通是一個ZVS 操作[1]。開關(guān)損耗沒有改變，但電容器的電容器充放電損耗仍然存在，但由于使用了碳化硅材料，這些損耗可以忽略不計。

在第二種調(diào)制方案中，S 1到 S 4工作在基頻，S 5和 S 6工作在高頻，因此這里將使用 2-SiC 混合 3L-ANPC 整流器來改進(jìn)調(diào)制，如圖 3 所示。對于零電平操作，將使用 CZ 狀態(tài)。在第一種調(diào)制方案中，開關(guān) S 1 S 3 S 5接通，開關(guān) S 2 S 4 S 6斷開。首先，在 S 5關(guān)斷期間，電流將流過與其相連的二極管。然后 S 6將打開并且 S 1將關(guān)閉，因此橋臂電壓達(dá)到零。S 5將關(guān)閉，因為沒有電流流過 S 5，所以它是 ZCS 操作。S 2兩端的電壓為零，這意味著開啟S 2是一個ZVS 操作[1]。在這種新的調(diào)制方案中，開關(guān)損耗不會增加，但電容器的充電和放電損耗仍然存在，但這些損耗可以忽略不計。

圖 2：4-SiC 混合 3L-ANPC 整流器

圖 3：2-SiC 混合 3L-ANPC 整流器

整流器比較

2-SiC 混合整流器 P 和 CZ 狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需的步數(shù)比 4-SiC 混合整流器所需的步數(shù)多，這往往會增加死區(qū)時間，電容器的充電放電損耗也增加，但傳導(dǎo)損耗降低 [1]。在 4-SiC 混合整流器中，充電放電損耗保持不變，傳導(dǎo)損耗比 2-SiC 混合方案降低得更多。因此，4-SiC 混合調(diào)制方案可以提供更高的效率，但該方案不能應(yīng)用于逆變器

實驗結(jié)果和原型

圖 4 顯示了用于評估所提出的調(diào)制方案的效率的原型。建議的原型具有 2KW 的額定功率和 800V 的直流電壓。輸入為 220V AC，頻率為 50Hz，開關(guān)頻率為 40Hz [1]。分別為1.4mH和4.7uF的濾波電感和電容。結(jié)果表明，在S 6導(dǎo)通和關(guān)斷期間改進(jìn)調(diào)制方案，漏源電壓為零，因此開關(guān)損耗不會增加。電容器的充電放電損耗也不會改變。由于漏源電壓的明顯尖峰，該方案不適用于逆變器。結(jié)果還表明，效率提高了 0.05% 到 0.2% [1]。

圖 4：Si & SiC 混合 3L-ANPC 轉(zhuǎn)換器

結(jié)論

由于使用 SiC 器件，改進(jìn)的調(diào)制方案降低了傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。結(jié)果表明，4-SiC混合3L-ANPC整流器可以獲得更高的效率。效率提高了 0.05% 到 0.2%。改進(jìn)的調(diào)制方案有一個缺點：由于電壓尖峰問題，它不能應(yīng)用于逆變器應(yīng)用。

審核編輯：郭婷