PCIM2024論文摘要｜離網場景下SiC MOSFETs應用于三相四橋臂變流器的優勢

隨著全球低碳化的進程，可再生能源發電占比及滲透率越來越高，此種背景下，儲能系統的引入有效抑制了新能源發電的波動性，PCS作為儲能系統的核心裝置應用廣泛。在工商業應用里，存在單相負載與三相不平衡負載，為了滿足單相供電需求以及對三相不平衡電壓的抑制，三相四線變流器拓撲是非常必要的，常見的拓撲形式有以下幾種：

分裂電容式拓撲，由于N線電流流過母線電容，電容容量需求增大，且直流電壓利用率較低，諧波畸變較大，抑制三相不平衡能力相對有限，平衡橋臂式拓撲通過硬件電路增強中點平衡控制能力，帶不平衡負載能力得到一定加強。

圖二、三相四橋臂拓撲

三相四橋臂拓撲，也為本文主要研究拓撲，增加了第四橋臂以增加控制自由度，電容容量的需求小于前者。可采用3d-SVPWM調制或三次諧波注入的載波調制方法，將三相解耦為獨立的單相控制，可以處理100%的不平衡電流，直流電壓利用率也得到了提升，但諧波表現依舊差于三相三線拓撲，需要采用合適功率器件與拓撲來改善。

SiC材料對比Si材料具有更高的電子漂移速率，同時SiC MOSFET由于其單極性導電特性，不存在IGBT關斷時的拖尾現象，Eoff相較IGBT大幅減小，SiC二極管反向恢復能量很小，因此SiC MOSFET的開通損耗也遠小于Si IGBT，下圖為同電流規格的SiC MOSFET與IGBT開關損耗的基準對比，相同電流情況下SiC MOSFET顯示出更優的開關損耗以及更小的溫度相關性。

由于IGBT pnpn的四層結構，導通特性存在一個轉折壓降，而SiC MOSFET的輸出特性曲線類似于一條正比例直線，在小電流區域內，SiC MOSFET具有明顯更小的導通損耗，對比如下圖。

圖三、同電流規格SiC MOSFET與IGBT損耗對比

三相四橋臂變流器與三相三橋臂變流器輸出的相電壓電流波形如下，三相四橋臂拓撲電壓臺階減少，諧波畸變更大，在相同的濾波器參數下，3P4L拓撲的輸出電流THD較3P3L拓撲變差49.5%，因此對于3P4L變流器，為滿足系統諧波要求，如果采用IGBT方案需要應用多重化拓撲或三電平拓撲，都會大大增加系統成本，而采用SiC MOSFETs方案，由于開關頻率的顯著提升，兩電平拓撲即可滿足系統諧波需求，本文應用PLECS仿真，定量對比三電平三相四橋臂IGBT方案與兩電平三相四橋臂SiC MOSFET方案，采用同等電流規格分立器件，SiC MOSFETs方案在系統效率，電流諧波畸變，濾波器參數選擇，器件溫升層面都具有一定優勢，以此說明在三相四橋臂拓撲下SiC方案的價值所在。