碳化硅和硅混合五电平单向整流器技术解析

随着云计算的概念越来越流行，数据量越来越大，数据中心每天都在改进，最终开始以更快的速度增长。它们已成为最大和最快的能源消耗来源，而 UPS（不间断电源）在其中发挥着重要作用 [2][3]。过多的铜会导致损耗，最终会增加电力输送基础设施的资本成本 [3]。中压交流电代替低压交流电 LV AC，已被用作数据中心的配电电压，因为它适用于 UPS 应用 [1][3][4]。图 1 清楚地显示了 MV UPS 的结构。图 2 描述了在五电平拓扑中使用的整流器。请访问此页面以获取原始文章。

图 1：中压 UPS 结构

对于具有 MV 高功率 AFE 的应用，一些可能的最佳解决方案是多电平转换器。它们的实际拓扑结构 [5] [6] 基于以下类别：

• 用于降低电压应力和 dv/dt 应力的转换器
• 转换器最小化滤波器和谐波的尺寸
• 降低开关损耗的转换器
• 以下是与 MV 应用相关的问题列表，特别是在这些拓扑中使用 WBG 设备时：
• 需要大量SiC MOSFET或需要高速高压二极管[7]-[15]
• WBG 半导体的额定电压未见降低 [7][9]-[15]
• 需要具有额外直流链路的电压平衡电路 [9]-[15]

图 2：5 电平单向整流器

建议的中压整流器

图 3a 和 3b 显示了源自五级 ANPC [16] 的拓扑。在它们中观察到的一个显着差异是二极管 D5 至 D8 代替了四个开关。应该注意的是，阻止一部分直流传输电压的二极管 D5 到 D8 使用的是基本的硅二极管，而不是快速二极管，例如，碳化硅肖特基二极管 [1]。在这一点上，Q1 到 Q4 的变化是使用 SiC MOSFET 而不是 Si MOSFET。因此，每级电路包括四个 SiC MOSFET 和四个常规 Si 二极管。此外，在 Q1 和 Q2 附近添加了一个额外的缓冲电容器 Cs，这对于所提出的整流器具有关键作用 [1]。

图 3：(a) 显示了传统的 5-L ANPC，(b) 显示了单向整流器。

拟议整流器的运行

Theis Si 二极管整流器及其反向损耗恢复策略展示了如何限制开关损耗。四个开关状态可以由本质上互补的有源开关对形成。表 1 显示了明显有助于产生每个电压电平的门控策略。

表 1：整流器模式

已经注意到，当输入状态中的电流为正时，二极管 D6 和 D8 始终关闭。这种处于开关状态的转换进一步分为四种情况，即

V0 (+0) 和 V2 (+1) 之间的开关状态转换

V0 (+0) 和 V1 (+1) 之间的开关状态转换

V2 (+1) 和 V3 (+2) 之间的开关状态转换

V1 (+1) 和 V3 (+2) 之间的开关状态转换

当过零时，Si 二极管将反向阻断相电流 [1]。同时，级电流将释放或充电该级所有硅二极管结点处的电容器。每个电容器都包括谐振与晶格侧沟道电感器Lin。在任何情况下，所有硅二极管都可以被视为处于零电流开关 (ZCS) 条件下，与开关相关的不幸仍然有限，因为在此跨度期间电流幅度异常低 [1]。

仿真验证和实验结果

仿真和实验证明了功能和效率性能。表 2 描述了模拟和实验的规格。整流器额定功率2MW，直流母线电压5kV，电网线电压3.3kV；这些值用于运行电气模拟。该系列整流器用于大功率应用，例如数据中心的 UPS。[1]。

表 2：模拟和原型规格

仿真结果

计算 1.4mH 电感以将相电流的 THD 总谐波失真降低到 3% 以内。很明显，已经采用了 1.7kV CREE-CAS300M17BM2) 的 SiC MOSFET 模块和 3.3kV 的二极管模块 (Infineon-DD500S33HE3) [1]。图 4 显示了满足 3% 的 THD 约束的相电流的 FFT 分析，而图 5 显示了不同器件的损耗，清楚地证明了四个 SiC MOSFET 上存在硬开关 [1]。可以注意到，在该应用中，建议的整流器的效率为 99.75%。

图 5：配电功率损耗

原型和结果

图 6 说明了按比例缩小的 2.5kVA 三相实验原型，该原型被设计和测试用于验证所提出的拓扑结构和原型的单相电路。图 7 清楚地显示了所提出的原理图 [1] 的整流器侧、直流侧和电网侧的实验波形。图 8 显示了在不同负载下产生的结果和电容器电压的波形。2.5kW 额定负载时输入相电流的 THD 为 2.64%，而 1.1kW 轻载时输入相电流的 THD 为 5.66% [1]。

图 6：原型。

图 7：来自建议整流器的波形

图 8：不同负载下的响应

结论

本文分析了混合五电平状态下由SiC MOSFET和Si二极管组成的单向整流器。开通损耗和反向恢复损耗的消除降低了成本。SiC MOSFET 上的电压已被有效钳位。与其他可能的混合单向整流器相比，每相需要两个额定电压相对较低的 SiC 功率模块和两个 Si 二极管功率模块。已经介绍了操作原理和模拟。事实证明，该电路在高功率密度MV AFE的存在下具有良好的结构。

参考

[1]一种用于中压UPS应用的碳化硅和硅混合五电平单向整流器张一帆浙江大学电气工程学院杭州，

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[15] G. Gateau、TA Meynard 和 H. Foch，“堆叠式多单元转换器 (SMC)：特性和设计”，2001 年 IEEE 第 32 届年度电力电子专家会议（IEEE 目录号 01CH37230），温哥华，不列颠哥伦比亚省，2001 ，第 1583-1588 卷。3.

[16] P. Barbosa、P. Steimer、J. Steinke、M. Winkelnkemper 和 N. Celanovic，“有源中性点钳位 (ANPC) 多电平转换器技术”，2005 年欧洲电力电子和应用会议，德累斯顿, 2005, pp. 10 pp.-P.10。

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