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中得到了廣泛應用，但由于其存在功率因數低并向電網注入了較高的電流諧波等因素，對電網污染嚴重，難以滿足相關標準的要求。隨著負載設備對電網的諧波污染越來越大，以及三相大功率裝置在電網中的應用比例越來越高，三相大功率因數校正技術已經成為國內外電力電子及研究領域的熱點問題。

Vienna整流是由瑞士聯邦技術學院Johann W. Kolar 教授于1994年提出的一個優秀的三電平PWM整流器拓撲，其具有所需的開關器件少，單個功率器件所承受的最大電壓為輸出電壓的一半，無需設置驅動死區時間，無輸出電壓橋臂直通問題等特點。隨著功率器件成本的降低，IGBT開關頻率的提升，以及SiC器件的日趨成熟，因而引起國內外學者以及產業應用界對其拓撲結構及控制策略和方法以及應用場合研究的高度關注。目前在中國，許多UPS、充電樁行業的公司，產品設計已經開始用Vienna整流技術進行 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，目的是去掉其中一些開關器件，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整流器一樣實現雙向流動，不過在一些不需要能量雙向流動的應用中，如UPS、充電樁等應用中，已經足夠，接下來的問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，實現系統高效率和高功率密度。如下圖1，是經典的”T”型三電平Vienna整流器拓撲圖，整流部分采用1200 V SiC 二極管， 鉗位開關管采用2顆650 V IGBT 反向串聯，并連接BUS 母線中點。

英飛凌1200 V第五代SiC肖特基二極管，有著業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受溫度影響變化小；同時有著業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 肖特基二極管有著超快的開關速度，適用于高開關頻率應用場合，反向恢復時間極短，可以有效降低對應開關管開通時的損耗和電流沖擊，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。

我們做過一個簡單的SiC肖特基二極管和Si基肖特基二極管在同一個boost電路中的對比，開關頻率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，隨著開關頻率的進一步提升，效率提升會更加明顯；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，該系列根據實際使用場合和開關頻率，針對開關損耗和導通損耗的平衡分為5個子系列，有H5，F5，L5，WR5 和S5。這里我們使用50 A H5，H5 系列專門為PFC 和PWM 控制進行了優化，適合UPS，Solar，EV charger 等應用場合，滿足從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：

效率曲線如下圖4：

下圖5為系統的總損耗和開關器件的損耗分布。IGBT 由于開關頻率較高，80 % 以上損耗屬于開關損耗，SiC 二極管由于開關損耗很小，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，線路損耗等。

總結：該Vienna 整流器充分發揮了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 %。可以做為UPS 和 EV charger 的PFC 參考設計方案。同時，該方案可以通過交互式結構和更換更大電流的SiC 二極管和IGBT，實現更大功率的Vienna 整流器方案。（英飛凌igbt廠家）