SiC、GaN MOSFET等寬帶隙器件的進步，給電力電子領域帶來了一場革命。這些器件具有快速開關、高電荷密度和高效設計的優點。它們在高功率應用中非常有用。中性點鉗位 (NPC) 轉換器也用于高電壓和高功率應用。2在這種配置中，總線電壓是平均分配的，這使我們可以使用低額定值的設備。在 NPC 轉換器中使用 SiC MOSFET 增加了高開關頻率和電荷密度的優勢，但以設計問題為代價，因為在 SiC 二極管 NPC (DNPC) 的情況下，內部開關的器件電壓大于外部開關）。

在本文中，將實施基于 SiC 的 10 kW DNPC 轉換器。本文將討論其在不同條件下的瞬態開關響應以及基于瞬態響應的緩沖器電路設計。1

DNPC的開關瞬態響應

圖1顯示了DNPC的電路圖，其中開關S 1和S 4代表外部開關，S 2和S 3代表內部開關。C 1到C 4等不同的電容器是器件的振蕩電容。提議的 DNPC 有一個長換向回路和一個短換向回路。3,4在這種情況下，短回路由開關 S 4、二極管 D 2和電容器 C dc2 組成，而長回路由三個開關 S 2、S 3、S 4、二極管 D 1和電容器 C直流2。為簡單起見，根據參考文獻 5，在導通期間，MOSFET 被建模為等效電阻器，而在關斷期間，它被建模為等效電容器，其中二極管將被建模為與電容器并聯放置的理想二極管. 普通半橋拓撲與 DNPC 拓撲之間的一個主要區別在于，DNPC 在長環路中有一個額外的二極管。圖 2 顯示了 DNPC 的兩個換向回路。

圖 1：DNPC 配置

圖 2：DNPC 中的兩個換向回路

調制方案

三級調制
DNPC有三種不同的調制方式：一種是三級調制方式，另兩種是二級調制方式。我們將一一討論它們。

圖 3：三級調制拓撲

圖 3 表示 DNPC 的三級調制方案。圖 4 表示 S 2在不同瞬態下的關斷行為。從t 2到t 3，S 2和S 3 導通，電流通過S 3和D 2。1 S 1處的電壓稱為V S1，它等于V Cdc1。S 4處的電壓稱為V S4，它等于V Cdc2。在 t 4，S 4 導通，C 2由 C dc1充電來自 S 3、S 4和 D 1。1 C 2的充電過程分為三個階段。在第一階段，C D1正在放電。在第二階段，D 1 導通給C 2充電。在第三階段，由于回路電感C D1和C 2之間的諧振，充電電流的方向發生變化，1所以C D1開始充電。當充電過程完成時，V D1為正，因此V C2大于V Cdc2。

圖 4：S 2對于 +ve 電感電流的關斷過程

在負電感電流期間，從t 2到t 3，S 2和S 3 導通，電流通過S 2和D 1。在此階段，V D2為0。同樣，S 1兩端的電壓（V S1）等于V Cdc1，S 4兩端的電壓（V S4）等于V Cdc2。1在t 3 處，S 2關斷，電感電流對C 2和C D2充電，并對C 4放電。1當 S 4兩端的電壓變為 0 時，二極管開始導通，這是充電過程的第 2 階段，在最后階段，電流方向發生變化，如上所述。1 C D1開始充電，V D1為正，1且V C2大于V Cdc2。

圖 5：S 2對于 –ve 電感電流的關斷過程

兩級調制
圖 6 表示兩種類型的兩級調制。不同之處在于死區時間，因為在其中一種調制方案中，死區時間位于內部開關之間，而在第二種調制方案中，死區時間在內部開關之間重疊。

圖 6：兩級調制拓撲

圖 7 表示正電感電流時S 2 的關斷。從t 6到t 7，所有開關都處于斷開狀態。電流通過S 1和S 2 1的二極管，V D2為0。S 3兩端的電壓(V S3 ) 等于V Cdc1，S 4兩端的電壓(V S4 ) 等于V Cdc2。1在 t 7 時，S 3開啟，C 2開始通過 C D1和 C dc1充電，而 C1通過 C dc1開始充電。1 S 4也導通，除V S2諧振在三電平調制方案中為0外，兩電平調制方案中的開關過程與三電平調制1中解釋的相同。1同樣，在此調制方案中，V C2大于 V Cdc2。

圖 7：S 2對于 +ve 電感電流的關斷過程

圖 8 表示當電感器電流為負時S 2 的關斷。從t 4到t 5，S 1和S 2 導通，電流通過S 1和S 2，1和V D2為0。S 3兩端的電壓（V S3）等于V Cdc1和電壓跨越S 4 (V S4 ) 等于V Cdc2。1 S 1在 t 5接通，C 1開始通過 C dc1充電. 電感器電流對C D2充電并使C 3和C 4放電。1充電完成后，電感電流開始流過D 1和S 2。在 t 6 時，S 2關斷，電感電流開始對 C 1和 C D2充電并對 C 3和 C 4放電，同時 V S3和 V S4達到 0。當通過 S 2的電流達到 0 時，由于電流方向發生變化共振。1當開關振蕩完成時，C D1開始充電，V D1為正，1表示 V C2大于 V dc2。

圖 8：S 2對于 –ve 電感電流的關斷過程

解決電壓不平衡問題的緩沖電路

無源緩沖器電路用于解決不平衡的器件電壓，從而鉗位內部開關的器件電壓。1 RCD 緩沖電路是消除半橋電壓過沖危險的有效解決方案。圖 9 顯示了 DNPC 配置中的 RCD 緩沖器。

圖 9：帶有 RCD 緩沖器的 DNPC

在三電平調制中，當電感電流在 t 4處為正時，RCD 緩沖電路傳導諧振電流，這使得 S 2的器件電壓被 C c的電壓鉗位（見圖 10）。

圖10：帶緩沖電路的三電平調制中S 2的關斷過程

內部開關之間具有死區時間的兩電平調制方案的電壓應力較低，這使得兩電平調制比死區時間重疊調制方案更好。兩個內開關S 2和S 3不會同時導通，這簡化了緩沖電路，并從RCD緩沖到緩沖電容器，降低其所1如示于圖11在t 7至t 8，在陽性的情況下，電感電流，C 2由緩沖電容器 C c充電，直流鏈路電容器在 t 8 時為C 1充電. 緩沖電容器鉗位內部開關的電壓，因為 DNPC 中的二極管不傳導充電電流。1

圖 11：帶有電容緩沖器的 DNPC 用于兩級調制方案

圖 12 顯示了額定功率為 10 kW 的基于 SiC 的 DNPC 轉換器的原型。使用 1,700-V SiC MOSFET 和采用 TO-247 封裝的肖特基二極管，為了滿足高壓應用的要求，直流鏈路電壓為 2,000 V。

圖 12：基于 SiC 的 DNPC 轉換器的原型

結論

本文討論了基于 SiC 的 DNPC 轉換器及其在兩級和三級調制方案中的瞬態響應。SiC 器件的高開關頻率增加了器件電壓不平衡的缺點。提出了 RCD 緩沖器和電容器緩沖器來分別糾正三電平調制和兩電平調制方案中的電壓不平衡問題，它們對內部開關的器件電壓進行鉗位。

審核編輯：湯梓紅