具有 3L-TNPC 拓扑结构的高效三相 SiC 逆变器-设计应用

精品文档-下载后可编辑具有3L-TNPC拓扑结构的高效三相SiC逆变器-设计应用一代的电源转换器需要满足具有挑战性的要求，例如低功率损耗、高功率密度和效率。直到不久之前，这些功能只能通过基于纯硅功率器件的多级拓扑来实现。然而，随着碳化硅(SiC)MOSFET的引入，功率损耗已大幅降低，为基于SiC的多级方法开辟了道路。本文将介绍基于3电平T型中性点钳位转换器(3L-TNPC)的450kW逆变器的原型。基于多层母线结构，所提出的设计实现了比普通三电平转换器更低的杂散电感，并且温升有限。通过选择栅极电阻(1Ω)，转换器原型实现了超过67.7%的开关损耗降低、26.6kW/L的功率密度以及99.47%的峰值效率（在266kW和70kHz开关频率下运行时测得）。在这里阅读原文。设计概览碳化硅(SiC)等宽带隙(WBG)半导体由于其更小的裸片尺寸、更低的开关损耗和更少的高温退化而被广泛用于高性能转换器[1]。此外，它们允许更高的开关频率，从而减少电流纹波[2,3]和无源元件尺寸[4,5]。然而，为了充分利用它们的优势，世界银行集团需要更谨慎的设计，考虑到：更小的管芯尺寸会导致更集中的功率损耗为了防止热失控，需要一种有效的冷却方法更高的开关速率会产生更多的过冲、传导EMI和辐射EMI需要付出努力才能实现有效的EMI滤波器设计布局需要寄生优化栅极驱动器应表现出抗噪声的稳健性。所提出的三电平T型中性点钳位转换器(3L-TNPC)设计如图1所示。既适用于电机驱动应用，也适用于光伏逆变器，这种拓扑结构提供更低的开关损耗、更高的效率和更好的总谐波失真(THD)比2级逆变器拓扑。然而，与类似的三电平拓扑结构一样，它会受到高功率环路杂散电感的影响，在开关瞬态期间会在器件的端子上产生显着的振荡和电压过冲。反过来，这会增加开关损耗并产生额外的EMI噪声，从而危及设备的使用寿命。建议的3L-TNPC解决方案的单相配置。

图1：建议的3L-TNPC解决方案的单相配置如图2所示，目前基于三电平T型中性点钳位转换器(3L-TNPC)拓扑的解决方案很难将电源环路电感降至20.0nH以下。因此可以采用更大的栅极电阻来减轻开关应力，尽管这会降低效率或使系统更复杂。不同文献中三电平变换器功率环路杂散电感的比较。

图2：不同文献中三电平变换器功率环路杂散电感的比较为了提高转换器的功率密度，信号检测和调节电路的紧凑集成是必要的。本文提出的新型高性能450kW解决方案基于配置在3电平T型中性点钳位转换器拓扑中的SiC-MOSFET，可实现更低的电感（Lstray，busbar=12nH），从而实现更快的开关速度，更低的开关损耗，更高的效率。汇流排设计三相450kW原型如图3所示。由于采用对称设计，因此可以在图4中看到每相的详细视图。450kW3L-TNPC逆变器的顶视图。

图3：450kW3L-TNPC逆变器的顶视图分解图如图5所示的汇流排连接电源模块和电容器，形成3L-TNPC拓扑结构。三个阶段之一的分解图。

图4：三个阶段之一的分解图母线层的分解图。

图5：母线层的分解图选择图3所示的电压传感器时考虑了具有高dv/dt特性的电源转换器的要求，例如带宽、低势垒电容和高共模瞬变抗扰度(CMTI)。由于转换器的RMS输出电流高于500A，因此需要非接触式电流传感器以避免互连处过热。然而，还有更小的磁电机电流传感器和霍尔电流传感器需要进一步研究。信号处理系统的架构如图6所示。为所有组件提供电源以及接收和发送信号。共模（CM）滤波器放置在几个关键位置，以避免数字芯片的信号失真和故障。信号传感、调节和控制器电路的架构。在1Ω栅极驱动电阻下使用双脉冲测试获得的开关波形如图7所示。根据双脉冲测试提供的结果，仅观察到30%的过冲。当T1打开时，来自DPT的测量波形。通过选择不同的栅极电阻，开关损耗已被测量和总结，如图8a（关断损耗）和