隨著云計算的概念越來越流行，數(shù)據(jù)量越來越大，數(shù)據(jù)中心每天都在改進，最終開始以更快的速度增長。它們已成為最大和最快的能源消耗來源，而 UPS（不間斷電源）在其中發(fā)揮著重要作用 [2][3]。過多的銅會導(dǎo)致?lián)p耗，最終會增加電力輸送基礎(chǔ)設(shè)施的資本成本 [3]。中壓交流電代替低壓交流電 LV AC，已被用作數(shù)據(jù)中心的配電電壓，因為它適用于 UPS 應(yīng)用 [1][3][4]。圖 1 清楚地顯示了 MV UPS 的結(jié)構(gòu)。圖 2 描述了在五電平拓撲中使用的整流器。請訪問此頁面以獲取原始文章。

圖 1：中壓 UPS 結(jié)構(gòu)

對于具有 MV 高功率 AFE 的應(yīng)用，一些可能的最佳解決方案是多電平轉(zhuǎn)換器。它們的實際拓撲結(jié)構(gòu) [5] [6] 基于以下類別：

• 用于降低電壓應(yīng)力和 dv/dt 應(yīng)力的轉(zhuǎn)換器
• 轉(zhuǎn)換器最小化濾波器和諧波的尺寸
• 降低開關(guān)損耗的轉(zhuǎn)換器
• 以下是與 MV 應(yīng)用相關(guān)的問題列表，特別是在這些拓撲中使用 WBG 設(shè)備時：
• 需要大量SiC MOSFET或需要高速高壓二極管[7]-[15]
• WBG 半導(dǎo)體的額定電壓未見降低 [7][9]-[15]
• 需要具有額外直流鏈路的電壓平衡電路 [9]-[15]

圖 2：5 電平單向整流器

建議的中壓整流器

圖 3a 和 3b 顯示了源自五級 ANPC [16] 的拓撲。在它們中觀察到的一個顯著差異是二極管 D5 至 D8 代替了四個開關(guān)。應(yīng)該注意的是，阻止一部分直流傳輸電壓的二極管 D5 到 D8 使用的是基本的硅二極管，而不是快速二極管，例如，碳化硅肖特基二極管 [1]。在這一點上，Q1 到 Q4 的變化是使用 SiC MOSFET 而不是 Si MOSFET。因此，每級電路包括四個 SiC MOSFET 和四個常規(guī) Si 二極管。此外，在 Q1 和 Q2 附近添加了一個額外的緩沖電容器 Cs，這對于所提出的整流器具有關(guān)鍵作用 [1]。

圖 3：(a) 顯示了傳統(tǒng)的 5-L ANPC，(b) 顯示了單向整流器。

擬議整流器的運行

Theis Si 二極管整流器及其反向損耗恢復(fù)策略展示了如何限制開關(guān)損耗。四個開關(guān)狀態(tài)可以由本質(zhì)上互補的有源開關(guān)對形成。表 1 顯示了明顯有助于產(chǎn)生每個電壓電平的門控策略。

表 1：整流器模式

已經(jīng)注意到，當輸入狀態(tài)中的電流為正時，二極管 D6 和 D8 始終關(guān)閉。這種處于開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換進一步分為四種情況，即

V0 (+0) 和 V2 (+1) 之間的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

V0 (+0) 和 V1 (+1) 之間的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

V2 (+1) 和 V3 (+2) 之間的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

V1 (+1) 和 V3 (+2) 之間的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換

當過零時，Si 二極管將反向阻斷相電流 [1]。同時，級電流將釋放或充電該級所有硅二極管結(jié)點處的電容器。每個電容器都包括諧振與晶格側(cè)溝道電感器Lin。在任何情況下，所有硅二極管都可以被視為處于零電流開關(guān) (ZCS) 條件下，與開關(guān)相關(guān)的不幸仍然有限，因為在此跨度期間電流幅度異常低 [1]。

仿真驗證和實驗結(jié)果

仿真和實驗證明了功能和效率性能。表 2 描述了模擬和實驗的規(guī)格。整流器額定功率2MW，直流母線電壓5kV，電網(wǎng)線電壓3.3kV；這些值用于運行電氣模擬。該系列整流器用于大功率應(yīng)用，例如數(shù)據(jù)中心的 UPS。[1]。

表 2：模擬和原型規(guī)格

仿真結(jié)果

計算 1.4mH 電感以將相電流的 THD 總諧波失真降低到 3% 以內(nèi)。很明顯，已經(jīng)采用了 1.7kV CREE-CAS300M17BM2) 的 SiC MOSFET 模塊和 3.3kV 的二極管模塊 (Infineon-DD500S33HE3) [1]。圖 4 顯示了滿足 3% 的 THD 約束的相電流的 FFT 分析，而圖 5 顯示了不同器件的損耗，清楚地證明了四個 SiC MOSFET 上存在硬開關(guān) [1]。可以注意到，在該應(yīng)用中，建議的整流器的效率為 99.75%。

圖 5：配電功率損耗

原型和結(jié)果

圖 6 說明了按比例縮小的 2.5kVA 三相實驗原型，該原型被設(shè)計和測試用于驗證所提出的拓撲結(jié)構(gòu)和原型的單相電路。圖 7 清楚地顯示了所提出的原理圖 [1] 的整流器側(cè)、直流側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的實驗波形。圖 8 顯示了在不同負載下產(chǎn)生的結(jié)果和電容器電壓的波形。2.5kW 額定負載時輸入相電流的 THD 為 2.64%，而 1.1kW 輕載時輸入相電流的 THD 為 5.66% [1]。

圖 6：原型。

圖 7：來自建議整流器的波形

圖 8：不同負載下的響應(yīng)

結(jié)論

本文分析了混合五電平狀態(tài)下由SiC MOSFET和Si二極管組成的單向整流器。開通損耗和反向恢復(fù)損耗的消除降低了成本。SiC MOSFET 上的電壓已被有效鉗位。與其他可能的混合單向整流器相比，每相需要兩個額定電壓相對較低的 SiC 功率模塊和兩個 Si 二極管功率模塊。已經(jīng)介紹了操作原理和模擬。事實證明，該電路在高功率密度MV AFE的存在下具有良好的結(jié)構(gòu)。

參考

[1]一種用于中壓UPS應(yīng)用的碳化硅和硅混合五電平單向整流器張一帆浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院杭州，

[2] S. Chalise 等人，“數(shù)據(jù)中心能源系統(tǒng)：當前技術(shù)和未來方向”，2015 年 IEEE 電力與能源協(xié)會大會，丹佛，科羅拉多州，2015 年，第 1-5 頁。

[3] S. Zhao、Q. Li、FC Lee 和 B. Li，“用于從中壓交流到 400 VDC 的模塊化電源轉(zhuǎn)換的高頻變壓器設(shè)計”，IEEE 電力電子學(xué)刊，第 2 卷。33，沒有。9，第 7545-7557 頁，2018 年 9 月。

[4] A. Pratt、P. Kumar 和 TV Aldridge，“電信和數(shù)據(jù)中心 400V 直流配電評估以提高能源效率”，Proc。電信。能源會議，2007 年，第 32-39 頁。

[5] JR Rodriguez、JW Dixon、JR Espinoza、J. Pontt 和 P. Lezana，“PWM 再生整流器：最新技術(shù)”，IEEE Trans。工業(yè)電子，卷。52，沒有。1，第 5-22 頁，2005 年 2 月。

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[15] G. Gateau、TA Meynard 和 H. Foch，“堆疊式多單元轉(zhuǎn)換器 (SMC)：特性和設(shè)計”，2001 年 IEEE 第 32 屆年度電力電子專家會議（IEEE 目錄號 01CH37230），溫哥華，不列顛哥倫比亞省，2001 ，第 1583-1588 卷。3.

[16] P. Barbosa、P. Steimer、J. Steinke、M. Winkelnkemper 和 N. Celanovic，“有源中性點鉗位 (ANPC) 多電平轉(zhuǎn)換器技術(shù)”，2005 年歐洲電力電子和應(yīng)用會議，德累斯頓, 2005, pp. 10 pp.-P.10。

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