飞跨电容三电平拓扑的深度分析：起源、分类、技术特性与SiC MOSFET的协同应用

倾佳电子飞跨电容三电平拓扑的深度分析：起源、分类、技术特性与SiC MOSFET的协同应用

倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。他们主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

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摘要

本报告旨在对飞跨电容多电平（FCML）拓扑进行深度剖析，系统性地探讨其历史起源、核心技术特点、拓扑分类，并重点分析将碳化硅（SiC）MOSFET应用于该拓扑所带来的显著优势。研究表明，FCML拓扑的命名并非偶然，其根植于18世纪的数学拓扑学概念，并由20世纪90年代的先驱者引入电力电子领域。该拓扑以其固有的多电平特性，在降低器件电压应力、减小无源元件体积和抑制电磁干扰方面展现出卓越性能。然而，其核心挑战在于飞跨电容的电压均衡问题，这促使了从理想的自然均衡向更鲁棒的主动控制策略的发展。随着SiC MOSFET等宽禁带半导体技术的成熟，FCML拓扑的潜力得到了前所未有的释放。SiC器件的低开关损耗和高频工作能力，与FCML拓扑固有的优势相结合，形成了一个强大的正向反馈循环，共同推动了电力电子系统向更高效率、更高功率密度和更小体积方向发展。该组合已成为数据中心、电动汽车和可再生能源并网等高要求应用领域的首选解决方案。

1. 多电平变换器的兴起

在现代电力电子系统中，对高效率、高功率密度和低电磁干扰（EMI）的持续需求，正驱使传统两电平变换器面临性能瓶颈。两电平拓扑在高电压应用中存在诸多固有挑战，包括半导体器件承受的高电压应力、高dV/dt（电压变化率）瞬变以及为满足谐波标准而需使用的大型无源滤波元件 。为突破这些限制，多电平变换器应运而生，其通过生成阶梯状的输出电压波形，以更小的电压步长逼近理想的正弦波或低纹波直流波形 。这种方法不仅能有效降低器件的电压应力，还能显著减少总谐波失真（THD），从而简化滤波器的设计并降低EMI 。在众多多电平拓扑中，飞跨电容多电平（FCML）变换器因其独特的结构和性能优势而备受关注，成为本报告深入分析的核心。

2. FCML拓扑的历史渊源与发展历程

2.1 根植于数学拓扑学的理论基石

“拓扑”一词在电力电子领域的应用，并非仅仅是电路结构的形象比喻，其背后蕴含着深厚的数学根源。数学拓扑学作为一门研究在连续变换下保持不变的几何性质的学科，其起源可追溯至18世纪。莱昂哈德·欧拉（Euler）在1736年发表的《柯尼斯堡七桥问题》论文，被认为是拓扑学早期工作的开端，他随后提出的多面体公式v−e+f=2（顶点数-边数+面数=2）也奠定了该领域的基础 。1813年，安托万-让·吕利耶（Antoine-Jean Lhuilier）发现欧拉的公式对带孔的实体不成立，并将其修正为

v−e+f=2−2g，其中g为孔的数量，这一发现被认为是第一个拓扑不变量 。1847年，德国数学家约翰·李斯廷（Johann Listing）在出版的《拓扑学初步研究》（Vorstudien zur Topologie）中首次使用了“拓扑学”一词 。最终，法国数学家亨利·庞加莱（Henri Poincaré）在1895年发表的《位置分析》（Analysis Situs）一书，正式确立了拓扑学作为一门独立数学分支的地位 。

将这些数学概念与电力电子学相联系，可以发现飞跨电容拓扑的命名具有深层含义。飞跨电容的核心作用是在动态开关过程中，通过不断地充电和放电，使其电压保持在直流母线电压的特定分数上，例如三电平拓扑中的VDC​/2 。这种在不断变化的开关状态下，电容电压仍能保持恒定比例的特性，可以被视为一种“电气拓扑不变量”。这种设计思路与数学拓扑学中研究对象在连续变形下保持不变的性质完美契合，这表明其发明者对该领域的概念有着深刻的理解。

2.2 拓扑的发明与演进

飞跨电容多电平变换器的发明，通常归功于蒂埃里·梅纳尔（Thierry A. Meynard）和亨利·福克（Henri Foch）在20世纪90年代初申请的专利 。尽管第一个多电平变换器的概念早在晶闸管（SCR）时代之前（1950年代之前）就已出现 ，但FCML拓扑的提出，标志着多电平技术进入了一个新的、更精巧的阶段。

从最初的构想到实际应用，FCML拓扑面临了诸多挑战。早期的文献立即识别出了飞跨电容的电压均衡和稳定性问题 。为解决这些挑战，研究人员不断提出新的解决方案，例如在启动前进行预充电，以防止开关器件因过压而损坏 。一项新颖的五电平飞跨电容型双降压逆变器拓扑，通过逻辑控制调节开关模态组合，成功实现了飞跨电容电压均衡，并消除了传统双降压电路中的桥臂直通和体二极管反向恢复问题 。这些持续的创新使FCML拓扑从一个学术概念，逐步演变为一种可靠且可行的工程解决方案。

3. FCML拓扑的分类与技术比较

3.1 与主要多电平拓扑的横向对比

在多电平变换器家族中，飞跨电容（FCML）、中点钳位（NPC）和级联H桥（CHB）是三种最主要的拓扑结构 。这三种拓扑各有优劣，其设计选择通常取决于特定的应用需求。

中点钳位（NPC）拓扑于1981年首次提出，其通过使用钳位二极管来生成中间电压电平 。该拓扑仅需一个直流电源，但随着电平数的增加，所需的钳位二极管数量急剧增多，导致更高的传导损耗和不平衡的损耗分布 。钳位二极管还会产生反向恢复电流，这会影响其他半导体器件的开关损耗 。

级联H桥（CHB）拓扑于1996年问世，由多个独立的H桥单元串联而成 。CHB的主要优势在于其模块化结构，可以轻松扩展到更高的电压电平 。然而，其最大的缺点是需要多个隔离的直流电源，每个H桥单元都需要一个独立的电源，这通常通过大型且昂贵的移相变压器来实现 。

飞跨电容（FCML）拓扑则有效地解决了上述两种拓扑的痛点。它既不像CHB那样需要多个隔离电源，又能避免NPC拓扑中大量的钳位二极管及其带来的损耗和反向恢复问题。FCML的核心在于利用浮动电容来产生中间电压电平，这使得它仅需一个直流源即可实现多电平输出 。然而，该拓扑的缺点在于需要数量较多的飞跨电容，尤其是在三相配置中 。

下表详细对比了这三种主要拓扑的关键设计指标：

拓扑类型 核心差异组件 DC源要求 典型组件数（三电平单相）电压均衡

中点钳位 (NPC)钳位二极管单一开关管：4，钳位二极管：2挑战较大，高电平损耗不均

飞跨电容 (FCML)飞跨电容单一开关管：4，飞跨电容：1自然均衡但需主动控制

级联H桥 (CHB)H桥单元多个隔离开关管：8，电容：2天然均衡，模块化设计

3.2 FCML拓扑的内部变体分类

除了与其他拓扑的比较外，FCML自身也存在多种变体，以适应不同的应用需求 。

按功能分类: FCML拓扑可以被设计为降压（Buck）、升压（Boost）、双向降压/升压（Buck/Boost）或逆变器 。例如，有研究提出了一种新颖的五电平飞跨电容型双降压逆变器，它基于双Buck电路构建，保留了无桥臂直通和无体二极管反向恢复的优点 。另一种变体是隔离式飞跨电容多电平反激式变换器（FCMFC），它通过隔离的飞跨电容实现高增益DC-DC变换 。

按工作模式分类: FCML变换器可工作在多种模式下：

连续导通模式（CCM）: 这是最常见的运行模式，电感电流始终连续 。

谐振模式: 一种较新的研究方向，尤其适用于固定转换比应用 。该模式通过精确调整开关时序，使电感电流呈现半正弦波形，从而实现谐振操作，大幅降低损耗 。

准两电平（Q2L）操作: 这种调制方案旨在将多电平变换器的优点（如低dV/dt和低应力）与两电平变换器的简洁性相结合 。在Q2L模式下，中间电压电平仅在开关过渡期间使用，这可以有效减少所需的飞跨电容体积，是高功率密度设计的关键趋势 。

4. FCML拓扑的核心技术特性

4.1 基本工作原理与预充电机制

FCML拓扑的基本原理在于利用飞跨电容在开关周期内交替地充电和放电，从而生成多个电压电平 。在三电平拓扑中，飞跨电容的电压理论上被钳位在直流母线电压的一半 (VDC​/2) 。当开关管导通时，电容接入电路，为负载提供能量或在下一阶段存储能量。

在正常运行之前，FCML变换器必须经过一个至关重要的预充电过程。若在启动时飞跨电容电压为零，可能导致开关管承受过高的电压应力，甚至损坏 。预充电通常分为两个阶段，例如在降压（Buck）充电模式下，首先控制高压侧开关管导通，使电源通过预充电电阻为直流母线电容和飞跨电容同时充电。当飞跨电容电压达到预设值（如UH​/2）时，进入第二阶段，关闭相应开关管，飞跨电容停止充电，而直流母线电容继续充电至设定值，整个预充电过程才结束 。一个新颖的单管控制预充电策略，仅通过控制三电平拓扑的外管通断，便可实现高效、快速的飞跨电容预充电，且无需额外增加功率器件，有效简化了拓扑结构 。

4.2 技术优势：高效率与高功率密度之源

FCML拓扑的结构使其具备多项显著优势：

降低器件电压应力：FCML拓扑能够将整个直流母线电压分摊到每个串联的开关管上，每个开关管仅承受$V_{DC}/(N-1)$的电压应力，其中$N$为电平数 。这使得设计者可以使用耐压更低、导通电阻更小、开关速度更快的半导体器件，从而提升效率。

减小无源元件体积：多电平输出波形中的电压和电流纹波更小，有效提高了等效开关频率 。这允许使用尺寸更小、重量更轻的电感器和电容器。例如，一个三电平FCML（N=3）可使所需电感量减少高达4倍，而四电平拓扑则可实现9倍的减小，这对于笔记本电脑充电器等低剖面设计至关重要 。

固有的自均衡特性：FCML变换器的一大特点是其固有的电压自均衡能力 。通过使用相移脉宽调制（PSPWM）等策略，每个飞跨电容在每个开关周期内都会经历对称的充电和放电循环，从而在稳态下自然维持电压均衡 。

4.3 核心挑战：电压均衡与动态控制

尽管FCML拓扑具备理想的自均衡能力，但在实际应用中，飞跨电容的电压均衡和稳定性问题仍然是主要挑战 。在非理想条件下，例如驱动信号不匹配、元件参数差异以及负载或输入电压的剧烈变化，都可能导致电容电压偏离理想值 。

一项研究揭示了一个深层次的固有问题：FCML拓扑在PSPWM控制下，电感电流与飞跨电容电压之间的相互作用会产生共振现象 。这种共振会导致飞跨电容电压出现持续的振荡，尤其是在追求极高效率而损耗很低的拓扑中，这种振荡更难被抑制 。

为解决这些挑战，现代研究提出了多种主动均衡策略：

基于反馈的主动均衡：通过实时检测飞跨电容电压，并动态调整占空比来纠正电压偏差 。

模型预测控制（MPC）：针对FCML的非线性系统，MPC算法被用于主动控制飞跨电容电压，即使在零负载条件下，也可通过在开关过渡期间插入额外的零电流换向来交换电荷，实现电压均衡 。

结构性改进：一种新的技术趋势是利用耦合电感来被动均衡多相FCML变换器中的飞跨电容电压 。这种方法可以在不增加控制复杂性的前提下，增强系统的鲁棒性，使其更易扩展到大型系统。

5. SiC MOSFET在FCML拓扑中的应用优势

5.1 SiC MOSFET的卓越性能

将FCML拓扑与碳化硅（SiC）MOSFET技术相结合，是实现高性能电力电子系统的关键。SiC作为一种宽禁带（WBG）半导体材料，其固有特性使其在功率器件领域远超传统硅（Si）器件。SiC具备高热导率、高击穿电压、低导通电阻和极快的开关速度等优势 。

尤其值得关注的是其开关特性。与需要考虑拖尾电流问题的IGBT不同，SiC MOSFET在关断时没有拖尾电流，这极大地降低了开关损耗 。此外，其体二极管（如果存在）的反向恢复电荷远小于Si基器件，可显著降低导通损耗

。这些特性使得SiC器件能够工作在比传统Si器件高得多的频率下，同时保持极高的效率 。

5.2 协同应用：性能的乘数效应

FCML拓扑与SiC MOSFET的结合并非简单的替换，而是一种互补的协同作用，它创造了一个强大的正向反馈循环，显著提升了系统性能。

高效率与高功率密度：FCML拓扑将高母线电压分摊到多个SiC开关管上，使每个器件仅承受较低的电压应力 。这使得设计者可以选择耐压等级较低的SiC MOSFET（例如100V或200V） ，而这些低耐压器件通常比高耐压器件拥有更好的性能指标。SiC器件的低开关损耗和快速开关能力，允许变换器工作在兆赫兹（MHz）的高频范围 。高频运行是减小无源元件（电感、电容）体积和重量的关键 。例如，一项研究表明，采用SiC器件的6.6kW DC-DC变换器在500kHz下实现了接近98.5%的峰值效率，同时磁性元件的体积和重量减少了50% 。这种集成使得高功率密度成为可能 。

卓越的热管理：SiC器件天生具备优异的高温工作特性和高热导率 。FCML拓扑通过多电平结构将电压和电流应力分布在多个器件上，这本身就降低了单个器件的热应力 。当与SiC器件结合时，这种优势被进一步放大，使得热管理更加高效，系统可以在更小的体积内处理更高的功率 。

EMI与可靠性：FCML拓扑的低电压步长输出已经能够有效降低EMI 。SiC MOSFET的快速开关能力虽然可能带来新的电磁兼容（EMC）挑战，但FCML固有的低

dV/dt特性可以缓解这一问题 。同时，SiC器件在高温和过载条件下的出色耐受能力，为系统设计提供了更大的可靠性裕度 。

5.3 SiC与GaN的对比选择

在FCML拓扑的应用中，除了SiC，氮化镓（GaN）也是一种重要的宽禁带半导体材料 。SiC和GaN各有其最适合的应用领域：

GaN：通常适用于600V及以下的电压等级，因其零反向恢复特性和极低的开关能量，GaN在低压、高频应用（如48V数据中心电源）中表现出更高的效率 。

SiC：可提供高达1200V的电压等级，具备更高的载流能力和优异的高压效率，这使其成为中高压应用（如电动汽车牵引逆变器、电网级变换器）的首选 。

因此，对于FCML拓扑而言，当应用于中高压系统时，SiC MOSFET凭借其耐压和电流能力成为更佳选择，而GaN则在低压、超高频的特定场景中更具优势。

6. 应用领域与未来展望

6.1 关键应用领域

SiC使能的FCML拓扑正成为多个关键行业的领先解决方案：

数据中心：为满足日益增长的计算需求和服务器机架密度，48V电源架构已成为主流 。SiC基FCML拓扑能够实现极高的效率和功率密度，支持数据中心电源的紧凑化设计，同时降低散热需求 。

电动汽车（EV）：FCML拓扑在电动汽车逆变器和电池管理系统（BMS）中得到应用 。其能够通过在不同电芯之间临时存储和释放能量来平衡电池电压，从而延长电池组寿命并提高整体效率 。

可再生能源与电网：在太阳能逆变器和固态变压器等领域，FCML拓扑可实现高效率的电网并网 。SiC的集成使得这些系统能够处理更高的功率，并满足严格的电网谐波要求 。

6.2 前沿研究与发展趋势

FCML拓扑的未来发展方向集中在解决其固有的挑战和探索新的应用模式：

高级控制算法：研究人员正致力于开发更稳健、更高效的控制算法来解决飞跨电容的电压均衡问题，尤其是在动态负载变化下 。模型预测控制（MPC）等方法因其快速响应和处理多重约束的能力而备受青睐 。

拓扑创新：将FCML与其他拓扑概念相结合，如使用耦合电感来增强电压被动均衡能力，或开发新的变体以满足特定应用（如准两电平工作）的需求，是当前的研究热点 。

7. 结论

本报告从历史、分类、技术特点和SiC应用等多个维度，对飞跨电容多电平拓扑进行了深度分析。FCML拓扑的诞生并非偶然，它通过巧妙地利用飞跨电容，规避了传统NPC和CHB拓扑的诸多限制，为中高压电力转换提供了一种独特而优越的解决方案。

尽管飞跨电容电压均衡是其固有的技术挑战，但随着控制理论的进步和新型硬件的出现（如耦合电感），这一问题正逐步得到解决。当与SiC MOSFET技术相结合时，FCML拓扑的潜力得到了最大化的释放。SiC器件的低损耗、高频工作能力与FCML拓扑固有的低应力、小体积优势相辅相成，共同开创了高效率、高功率密度电力转换的新纪元。可以预见，FCML与SiC技术的协同应用将继续在电力电子领域发挥核心作用，成为未来电动汽车、数据中心和可再生能源系统等前沿应用不可或缺的基石。

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审核编辑 黄宇