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离网场景下SiC MOSFETs应用于三相四桥臂变流器的优势

英飞凌工业半导体 2024-08-30 12:25 次阅读

*本论文摘要由PCIM官方授权发布

/ 摘要/

工商业侧储能正以其经济性,电网友好性等特点蓬勃发展,其中离网应用场景下,不平衡负载带载能力,谐波畸变度等都是其PCS的重要指标。三相四桥臂(3P4L)变流器具有最强的不平衡负载能力,但对比三相三线(3P3W)系统,成本增加,谐波畸变度更高。SiC MOSFETs由于其优越的材料特性与器件特性,相较IGBT可大幅提升开关频率,本文通过理论分析结合仿真结果说明SiC MOSFETs更加适用于三相四桥臂变流器,是更具性价比的方案选择。

梗概

随着全球低碳化的进程,可再生能源发电占比及渗透率越来越高,此种背景下,储能系统的引入有效抑制了新能源发电的波动性,PCS作为储能系统的核心装置应用广泛。在工商业应用里,存在单相负载与三相不平衡负载,为了满足单相供电需求以及对三相不平衡电压的抑制,三相四线变流器拓扑是非常必要的,常见的拓扑形式有以下几种:

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a)三桥臂分裂电容式拓扑

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b) 平衡桥臂拓扑

图一

分裂电容式拓扑,由于N线电流流过母线电容,电容容量需求增大,且直流电压利用率较低,谐波畸变较大,抑制三相不平衡能力相对有限,平衡桥臂式拓扑通过硬件电路增强中点平衡控制能力,带不平衡负载能力得到一定加强。

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图二、三相四桥臂拓扑

三相四桥臂拓扑,也为本文主要研究拓扑,增加了第四桥臂以增加控制自由度,电容容量的需求小于前者。可采用3d-SVPWM调制或三次谐波注入的载波调制方法,将三相解耦为独立的单相控制,可以处理100%的不平衡电流,直流电压利用率也得到了提升,但谐波表现依旧差于三相三线拓扑,需要采用合适功率器件与拓扑来改善。

SiC材料对比Si材料具有更高的电子漂移速率,同时SiC MOSFET由于其单极性导电特性,不存在IGBT关断时的拖尾现象,Eoff相较IGBT大幅减小,SiC二极管反向恢复能量很小,因此SiC MOSFET的开通损耗也远小于Si IGBT,下图为同电流规格的SiC MOSFET与IGBT开关损耗的基准对比,相同电流情况下SiC MOSFET显示出更优的开关损耗以及更小的温度相关性。

由于IGBT pnpn的四层结构,导通特性存在一个转折压降,而SiC MOSFET的输出特性曲线类似于一条正比例直线,在小电流区域内,SiC MOSFET具有明显更小的导通损耗,对比如下图。

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图三、同电流规格SiC MOSFET与IGBT损耗对比

三相四桥臂变流器与三相三桥臂变流器输出的相电压电流波形如下,三相四桥臂拓扑电压台阶减少,谐波畸变更大,在相同的滤波器参数下,3P4L拓扑的输出电流THD较3P3L拓扑变差49.5%,因此对于3P4L变流器,为满足系统谐波要求,如果采用IGBT方案需要应用多重化拓扑或三电平拓扑,都会大大增加系统成本,而采用SiC MOSFETs方案,由于开关频率的显著提升,两电平拓扑即可满足系统谐波需求,本文应用PLECS仿真,定量对比三电平三相四桥臂IGBT方案与两电平三相四桥臂SiC MOSFET方案,采用同等电流规格分立器件,SiC MOSFETs方案在系统效率,电流谐波畸变,滤波器参数选择,器件温升层面都具有一定优势,以此说明在三相四桥臂拓扑下SiC方案的价值所在。

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a) 3P3L拓扑输出相电压相电流波形,电流THD=3.23%

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b) 3P4L拓扑输出相电压相电流波形,电流THD=4.83%

图四


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