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)備對電網(wǎng)的諧波污染越來越大，以及三相大功率裝置在電網(wǎng)中的應(yīng)用比例越來越高，三相大功率因數(shù)校正技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外電力電子及研究領(lǐng)域的熱點問題。

Vienna整流是由瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院Johann W. Kolar 教授于1994年提出的一個優(yōu)秀的三電平PWM整流器拓?fù)洌渚哂兴璧拈_關(guān)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(shè)置驅(qū)動死區(qū)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(guān)頻率的提升，以及SiC器件的日趨成熟，因而引起國內(nèi)外學(xué)者以及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用界對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略和方法以及應(yīng)用場合研究的高度關(guān)注。目前在中國，許多UPS、充電樁行業(yè)的公司，產(chǎn)品設(shè)計已經(jīng)開始用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，目的是去掉其中一些開關(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(xiàn)雙向流動，不過在一些不需要能量雙向流動的應(yīng)用中，如UPS、充電樁等應(yīng)用中，已經(jīng)足夠，接下來的問題是如何提高系統(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(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， 鉗位開關(guān)管采用2顆650 V IGBT 反向串聯(lián)，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(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。對比Si基肖特基二極管，SiC 肖特基二極管有著超快的開關(guān)速度，適用于高開關(guān)頻率應(yīng)用場合，反向恢復(fù)時間極短，可以有效降低對應(yīng)開關(guān)管開通時的損耗和電流沖擊，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(guān)頻率20kHz, 對比結(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，隨著開關(guān)頻率的進(jìn)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(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)實際使用場合和開關(guān)頻率，針對開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的平衡分為5個子系列，有H5，F(xiàn)5，L5，WR5 和S5。這里我們使用50 A H5，H5 系列專門為PFC 和PWM 控制進(jìn)行了優(yōu)化，適合UPS，Solar，EV charger 等應(yīng)用場合，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)的總損耗和開關(guān)器件的損耗分布。IGBT 由于開關(guān)頻率較高，80 % 以上損耗屬于開關(guān)損耗，SiC 二極管由于開關(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)計方案。同時，該方案可以通過交互式結(jié)構(gòu)和更換更大電流的SiC 二極管和IGBT，實現(xiàn)更大功率的Vienna 整流器方案。（英飛凌igbt廠家）