如何構(gòu)建高效率、高功率密度的三相三電平Vienna整流器方案

二極管整流器在電力電子行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，但由于其存在功率因數(shù)低并向電網(wǎng)注入了較高的電流諧波等因素，對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重，難以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。隨著負(fù)載設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染越來(lái)越大，以及三相大功率裝置在電網(wǎng)中的應(yīng)用比例越來(lái)越高，三相大功率因數(shù)校正技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外電力電子及研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。

Vienna整流是由瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院Johann W. Kolar 教授于1994年提出的一個(gè)優(yōu)秀的三電平PWM整流器拓?fù)洌渚哂兴璧拈_(kāi)關(guān)器件少，單個(gè)功率器件所承受的最大電壓為輸出電壓的一半，無(wú)需設(shè)置驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間，無(wú)輸出電壓橋臂直通問(wèn)題等特點(diǎn)。隨著功率器件成本的降低，IGBT開(kāi)關(guān)頻率的提升，以及SiC器件的日趨成熟，因而引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者以及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用界對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略和方法以及應(yīng)用場(chǎng)合研究的高度關(guān)注。目前在中國(guó)，許多UPS、充電樁行業(yè)的公司，產(chǎn)品設(shè)計(jì)已經(jīng)開(kāi)始用Vienna整流技術(shù)進(jìn)行 PFC功率因素校正。

三電平Vienna整流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和形式多種多樣，但基本的拓?fù)湫问蕉际菑摹盜”型三電平和”T”型三電平這兩種三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演化而來(lái)，目的是去掉其中一些開(kāi)關(guān)器件，保留二極管，利用鉗位電路形成PFC的功能，這樣使得系統(tǒng)成本大大降低，同時(shí)也有了功率因素校正的功能，但是能量不能像全橋PWM整流器一樣實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，不過(guò)在一些不需要能量雙向流動(dòng)的應(yīng)用中，如UPS、充電樁等應(yīng)用中，已經(jīng)足夠，接下來(lái)的問(wèn)題是如何提高系統(tǒng)的功率密度和效率。

本文介紹一種基于”T”型三電平演化而來(lái)的Vienna整流器，以及怎樣使用英飛凌新一代650 V單管IGBT和1200 V SiC肖特基二極管，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效率和高功率密度。如下圖1，是經(jīng)典的”T”型三電平Vienna整流器拓?fù)鋱D，整流部分采用1200 V SiC 二極管， 鉗位開(kāi)關(guān)管采用2顆650 V IGBT 反向串聯(lián)，并連接BUS 母線中點(diǎn)。

英飛凌1200 V第五代SiC肖特基二極管，有著業(yè)內(nèi)良好的正向?qū)妷篤F，使得導(dǎo)通損耗較小，且導(dǎo)通電壓VF受溫度影響變化小；同時(shí)有著業(yè)內(nèi)良好的抗浪涌電流IFSM能力，浪涌電流高達(dá)額定電流的14倍，輕松抵御浪涌沖擊。對(duì)比Si基肖特基二極管，SiC 肖特基二極管有著超快的開(kāi)關(guān)速度，適用于高開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用場(chǎng)合，反向恢復(fù)時(shí)間極短，可以有效降低對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的損耗和電流沖擊，可以得到更高的系統(tǒng)效率和功率密度，降低散熱需求和EMI 影響。

我們做過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的SiC肖特基二極管和Si基肖特基二極管在同一個(gè)boost電路中的對(duì)比，開(kāi)關(guān)頻率20kHz, 對(duì)比結(jié)果如下圖2，可以看出，用SiC代替Si二極管，boost電路效率提升0.8%以上，隨著開(kāi)關(guān)頻率的進(jìn)一步提升，效率提升會(huì)更加明顯；或者在相同輸出功率的情況下，SiC肖特基二極管的結(jié)溫至少低15℃以上。

英飛凌TrenchSTOP5TM5是市面上性能良好的650 V單管IGBT，該系列根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)合和開(kāi)關(guān)頻率，針對(duì)開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的平衡分為5個(gè)子系列，有H5，F(xiàn)5，L5，WR5 和S5。這里我們使用50 A H5，H5 系列專門(mén)為PFC 和PWM 控制進(jìn)行了優(yōu)化，適合UPS，Solar，EV charger 等應(yīng)用場(chǎng)合，滿足從30 kHz 到100 kHz 的高頻應(yīng)用。

該Vienna整流器的參考設(shè)計(jì)如下圖3所示：

效率曲線如下圖4：

下圖5為系統(tǒng)的總損耗和開(kāi)關(guān)器件的損耗分布。IGBT 由于開(kāi)關(guān)頻率較高，80 % 以上損耗屬于開(kāi)關(guān)損耗，SiC 二極管由于開(kāi)關(guān)損耗很小，大部分損耗是導(dǎo)通損耗。其他系統(tǒng)損耗包含PFC 電感，濾波電感等磁性器件，snubber吸收電路，電容，線路損耗等。

總結(jié)：該Vienna 整流器充分發(fā)揮了SiC 二極管的低損耗特性和H5 系列IGBT 的高頻特性，使得整體方案效率達(dá)到98 %。可以做為UPS 和 EV charger 的PFC 參考設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，該方案可以通過(guò)交互式結(jié)構(gòu)和更換更大電流的SiC 二極管和IGBT，實(shí)現(xiàn)更大功率的Vienna 整流器方案。（英飛凌igbt廠家）