如何構建高效率、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)中得到了廣泛應用，但由于其存在功率因數低并向電網(wǎng)注入了較高的電流諧波等因素，對電網(wǎng)污染嚴重，難以滿(mǎn)足相關(guān)標準的要求。隨著(zhù)負載設備對電網(wǎng)的諧波污染越來(lái)越大，以及三相大功率裝置在電網(wǎng)中的應用比例越來(lái)越高，三相大功率因數校正技術(shù)已經(jīng)成為國內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整流器拓撲，其具有所需的開(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)需設置驅動(dòng)死區時(shí)間，無(wú)輸出電壓橋臂直通問(wèn)題等特點(diǎn)。隨著(zhù)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，因而引起國內外學(xué)者以及產(chǎn)業(yè)應用界對其拓撲結構及控制策略和方法以及應用場(chǎng)合研究的高度關(guān)注。目前在中國，許多UPS、充電樁行業(yè)的公司，產(chǎn)品設計已經(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整流的拓撲結構和形式多種多樣，但基本的拓撲形式都是從”I”型三電平和”T”型三電平這兩種三電平拓撲結構演化而來(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)現雙向流動(dòng)，不過(guò)在一些不需要能量雙向流動(dòng)的應用中，如UPS、充電樁等應用中，已經(jīng)足夠，接下來(lái)的問(wèn)題是如何提高系統的功率密度和效率。

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)現系統高效率和高功率密度。如下圖1，是經(jīng)典的”T”型三電平Vienna整流器拓撲圖，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(xiàn)中點(diǎn)。

英飛凌1200 V第五代SiC肖特基二極管，有著(zhù)業(yè)內良好的正向導通電壓VF，使得導通損耗較小，且導通電壓VF受溫度影響變化??；同時(shí)有著(zhù)業(yè)內良好的抗浪涌電流IFSM能力，浪涌電流高達額定電流的14倍，輕松抵御浪涌沖擊。對比Si基肖特基二極管，SiC 肖特基二極管有著(zhù)超快的開(kāi)關(guān)速度，適用于高開(kāi)關(guān)頻率應用場(chǎng)合，反向恢復時(shí)間極短，可以有效降低對應開(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電路中的對比，開(kāi)關(guān)頻率20kHz, 對比結果如下圖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(zhù)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，該系列根據實(shí)際使用場(chǎng)合和開(kāi)關(guān)頻率，針對開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗的平衡分為5個(gè)子系列，有H5，F5，L5，WR5 和S5。這里我們使用50 A H5，H5 系列專(zhuān)門(mén)為PFC 和PWM 控制進(jìn)行了優(yōu)化，適合UPS，Solar，EV charger 等應用場(chǎng)合，滿(mǎn)足從30 kHz 到100 kHz 的高頻應用。

該Vienna整流器的參考設計如下圖3所示：

效率曲線(xiàn)如下圖4：

下圖5為系統的總損耗和開(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，大部分損耗是導通損耗。其他系統損耗包含PFC 電感，濾波電感等磁性器件，snubber吸收電路，電容，線(xiàn)路損耗等。

總結：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到98 %?？梢宰鰹閁PS 和 EV charger 的PFC 參考設計方案。同時(shí)，該方案可以通過(guò)交互式結構和更換更大電流的SiC 二極管和IGBT，實(shí)現更大功率的Vienna 整流器方案。（英飛凌igbt廠(chǎng)家）