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  • 2018-07-17 13:33
主题:  如何构建高效率、高功率密度的三相三电平Vienna整流器方案

二极管整流器在电力电子行业中得到了广泛应用,但由于其存在功率因数低并向电网注入了较高的电流谐波等因素,对电网污染严重,难以满足相关标准的要求。随着负载设备对电网的谐波污染越来越大,以及三相大功率装置在电网中的应用比例越来越高,三相大功率因数校正技术已经成为国内外电力电子及研究领域的热点问题。


Vienna整流是由瑞士联邦技术学院Johann W. Kolar 教授于1994年提出的一个优秀的三电平PWM整流器拓扑,其具有所需的开关器件少,单个功率器件所承受的最大电压为输出电压的一半,无需设置驱动死区时间,无输出电压桥臂直通问题等特点随着功率器件成本的降低,IGBT开关频率的提升,以及SiC器件的日趋成熟,因而引起国内外学者以及产业应用界对其拓扑结构及控制策略和方法以及应用场合研究的高度关注。目前在中国,许多UPS、充电桩行业的公司,产品设计已经开始用Vienna整流技术进行 PFC功率因素校正。


三电平Vienna整流的拓扑结构和形式多种多样,但基本的拓扑形式都是从”I”型三电平和”T”型三电平这两种三电平拓扑结构演化而来,目的是去掉其中一些开关器件,保留二极管,利用钳位电路形成PFC的功能,这样使得系统成本大大降低,同时也有了功率因素校正的功能,但是能量不能像全桥PWM整流器一样实现双向流动,不过在一些不需要能量双向流动的应用中,如UPS、充电桩等应用中,已经足够,接下来的问题是如何提高系统的功率密度和效率。


本文介绍一种基于”T”型三电平演化而来的Vienna整流器,以及怎样使用英飞凌新一代650 V单管IGBT和1200 V SiC肖特基二极管,实现系统高效率和高功率密度如下图1,是经典的”T”型三电平Vienna整流器拓扑图,整流部分采用1200 V SiC 二极管, 钳位开关管采用2颗650 V IGBT 反向串联,并连接BUS 母线中点。


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图1:英飞凌T型Vienna整流方案


英飞凌1200 V第五代SiC肖特基二极管,有着业内良好的正向导通电压VF,使得导通损耗较小,且导通电压VF受温度影响变化小;同时有着业内良好的抗浪涌电流IFSM能力,浪涌电流高达额定电流的14倍,轻松抵御浪涌冲击。对比Si基肖特基二极管,SiC 肖特基二极管有着超快的开关速度,适用于高开关频率应用场合,反向恢复时间极短,可以有效降低对应开关管开通时的损耗和电流冲击,可以得到更高的系统效率和功率密度,降低散热需求和EMI 影响。


我们做过一个简单的SiC肖特基二极管和Si基肖特基二极管在同一个boost电路中的对比,开关频率20kHz, 对比结果如下图2,可以看出,用SiC代替Si二极管,boost电路效率提升0.8%以上,随着开关频率的进一步提升,效率提升会更加明显;或者在相同输出功率的情况下,SiC肖特基二极管的结温至少低15℃以上。

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图2:SiC和Si基肖特基二极管对比曲线


飞凌TrenchSTOP5TM5是市面上性能良好的650 V单管IGBT,该系列根据实际使用场合和开关频率,针对开关损耗和导通损耗的平衡分为5个子系列,有H5,F5,L5,WR5 和S5。这里我们使用50 A H5,H5 系列专门为PFC 和PWM 控制进行了优化,适合UPS,Solar,EV charger 等应用场合,满足从30 kHz 到100 kHz 的高频应用。


该Vienna整流器的参考设计如下图3所示:

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图3:英飞凌12KW Vienna整流参考设计


效率曲线如下图4:

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图4:12KW Vienna整流不同输入电压下的效率曲线


下图5为系统的总损耗和开关器件的损耗分布。IGBT 由于开关频率较高,80 % 以上损耗属于开关损耗,SiC 二极管由于开关损耗很小,大部分损耗是导通损耗。其他系统损耗包含PFC 电感,滤波电感等磁性器件,snubber吸收电路,电容,线路损耗等。


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图5:12KW Vienna整流系统损耗分布


总结:该Vienna 整流器充分发挥了SiC 二极管的低损耗特性和H5 系列IGBT 的高频特性,使得整体方案效率达到98 %。可以做为UPS 和 EV charger 的PFC 参考设计方案。同时,该方案可以通过交互式结构和更换更大电流的SiC 二极管和IGBT,实现更大功率的Vienna 整流器方案。



倒数1
 
受益匪浅