在工业高频双向PFC电力变换器中使用SiC MOSFET的优势

摘要

随着汽车电动化推进，智能充电基础设施正在迅速普及，智能电网内部的V2G车辆给电网充电应用也是方兴未艾，越来越多的应用领域要求有源前端电力变换器具有双向电流变换功能。本文在典型的三相电力应用中分析了SiC功率MOSFET在高频PFC变换器中的应用表现，证明碳化硅电力解决方案的优势，例如，将三相两电平全桥(B6)变换器和NPC2三电平(3L-TType)变换器作为研究案例，并与硅功率半导体进行了输出功率和开关频率比较。

前言

随着汽车电动化推进，智能充电基础设施正在迅速普及，智能电网内部的V2G车辆给电网充电应用也是方兴未艾，越来越多的应用领域要求有源前端电力变换器具有双向电流变换功能。本文在典型的三相电力应用中分析了SiC功率MOSFET在高频PFC变换器中的应用表现，证明碳化硅电力解决方案的优势。

在有源前端双向变换器内的SiC MOSFET

电力变换器拓扑的选择与半导体技术的可用性密切相关。最近推出的碳化硅(SiC)有源开关技术即SiC MOSFET，将电力变换拓扑拓展到开关频率更高的应用领域。图1给出了典型技术与功率大小和开关频率的关系图。SiC器件的应用领域相当广泛，并且随着技的发展和生产成本优化，其应用范围还在不断扩大。

图1：技术与应用定位图

本文对采用硅基IGBT和SiC MOSFET两种不同的功率半导体技术的典型三相两电平全桥(B6)和NPC2三电平(3L-TType) 双向电力变换器进行了能效与开关频率关系评测。

图2：基于SiC MOSFET的两电平全桥(B6)和NPC2三电平(3L-TT) 双向PFC变换器

使用表1中列出的公式进行计算了两电平转换器的功率损耗，其中包括导通损耗和开关损耗。计算公式考虑了调制指数M=Vac/(Vdc/2)，以及决定双向转换器工作模式的输入电压和电流之间的相位角。开关损耗的特性数据是基本参数，可以从数据手册中获取，并根据所考虑的输出电压Vdc和开关电流IL，考虑开关能量值的比例因子。三电平T型变换器的功耗计算需要采用专门的公式[2]，将放在最终论文中讨论。

表1：功率损耗计算公式

计算过程已考虑到表2中列出的电力变换器的规格和表3中列出的图2电路所用的电力电子器件，评估了两个变换器的导通损耗和开关损耗，以及半导体能效与开关频率的函数关系。考虑到变换器有整流器和逆变器两个模式，将开关频率范围设定在10kHz至100kHz之间，评测结果如图3和图4所示。观察能效评测结果不难发现，随着开关频率增加，SiC MOSFET的优势明显高于硅基IGBT，在两电平全桥拓扑中，两者在100kHz时能效差距高达10%，最终版论文将进行全面的探讨。最后，为了验证计算结果，开发了一个可配置的测试平台，如图5所示，测试结果将列在在最终版论文中。

表2：电力变换器规格 表3：功率器件的特性

图3：两电平电力变换器的功率损耗和能效与开关频率的关系：IGBT vs SiC MOSFET

图4：三电平3LTT电力变换器的功率损耗和能效与开关频率的关系：IGBT vs SiC MOSFET

结论

图5 –测试平台原型的原理图和实物图

本文评测了大功率 PFC 的拓扑结构，介绍了 SiC MOSFET 在高频高压应用中的性能。特别是，在两电平变换器中，SiC MOSFET与IGBT相比的优势更加明显，因为高频开关最大输出直流电压需要击穿电压更高的半导体器件，这对能效有不利的影响，在100kHz时，将能效降低多达10%。

参考文献

[1] J. W. Kolar and T. Friedli, "The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems—Part I," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 1, pp. 176-198, Jan. 2013, doi: 10.1109/TPEL.2012.2197867.

[2] M. Schweizer, T. Friedli, and J.W. Kolar “Comparative Evaluation of Advanced Three-Phase Three-Level Inverter/Converter Topologies Against Two-Level Systems. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 60. 5515- 5527. 10.1109/TIE.2012.2233698.

[3] Datasheet STGW25H120DF2, STMicroelectronics;

[4] Datasheet STGB30H60DFB, STMicroelectronics;

[5] Datasheet SCTW40N120, STMicroelectronics;

[6] Datasheet SCTW35N65G2V, STMicroelectronics.