在現代，隨著EV（電動汽車）和 HEV（混合動力電動汽車）領域的所有進步對具有高功率密度和效率的轉換器的需求已經增加，尤其是在電動汽車充電點的并網系統中。WBG（寬帶隙）器件滿足所有這些要求，因為它們具有低損耗和快速開關能力以及非常好的熱穩定性，但由于成本高，這些器件并未廣泛用于開發轉換器 。SiC MOSFET 的成本是 Si IGBT 的兩倍，但其高電流范圍是 Si IGBT 的 8 倍。為了降低成本問題，現在的重點是混合硅和碳化硅器件。介紹了一種三級兩級去耦有源中性點鉗位（3L-TBANPC）。這實際上有助于利用 SiC MOSFET 的快速開關和 Si IGBT 的低成本。Si 和 SiC 轉換器能夠提供與全 SiC MOSFET 轉換器相同的效率。

基本混合拓撲

3L-ANPC整流器電路圖如圖1所示，由六個開關組成。3L-ANPC常用的開關狀態如下表所示。1 表示高電平或導通狀態，0 表示開關的低電平或關斷狀態。由于有許多開關處于 0 狀態，這表明在低電平狀態下可以使用不同的開關生成不同的調制方案 。

圖：1. 3L-ANPC整流器

表：3L-ANPC 的切換狀態

調制方案

提出了兩種調制方案，其想法是觀察哪些開關工作在基頻上，哪些開關工作在較高頻率上。在第一種調制方案中，使用了開關狀態 P、PZ2、NZ2 和 Z。結果表明，對于正半周開關，S 5和S 3處于導通狀態，S 6和S 4處于關斷狀態，其中S 1和S 2是互補對。對于負半周，S 3和S 4是互補對。所以 S 5和 S 6工作在基頻，開關損耗與 S 1 -S 4 相關。

在第二種調制方案中，使用了開關狀態 P、PZ1、NZ1 和 N。結果表明開關S 1 -S 4接收到相同的門控信號，所以這里S 5和S 6是互補對。S 5和S 6的開關損耗較高。

降低開關損耗的有效方法是將 SiC MOSFET 用于高頻操作的開關，而不是 Si IGBT。4-SiC 混合 3-L-ANPC 整流器如圖 2 所示，2-SiC 混合 3-L-ANPC 整流器如圖 3 所示，分別用于第一和第二調制方案。

改進的調制方案

普通調制方案和改進調制方案之間的區別在于零電平輸出時的公共零 (CZ) 狀態操作 [6]。對于 CZ 操作，電流流過 S 5和 S 2或 S 6和 S 3，并且在特定溫度下，Si MOSFET 和 SiC MOSFET 提供的電阻幾乎相等，這意味著當它們連接在平行[1]。

在上述第一調制方案中，開關S 5和S 6工作在基頻，而開關S 1至S 4工作在高頻。4-SiC 混合 3L-ANPC 整流器將用于改進調制，如圖 2 所示。這次我們在零電平引入 CZ 狀態而不是 PZI。因此，在正半周期的開始，三個開關 S 1 S 3 S 5處于接通狀態，而開關 S 2 S 4 S 6處于斷開狀態。在 S 1關斷期間，電流流過與 S 1相連的二極管. 在S 2 導通期間，橋臂電壓和S 6的漏源電壓達到零，這意味著S 6 的導通是一個ZVS 操作[1]。開關損耗沒有改變，但電容器的電容器充放電損耗仍然存在，但由于使用了碳化硅材料，這些損耗可以忽略不計。

在第二種調制方案中，S 1到 S 4工作在基頻，S 5和 S 6工作在高頻，因此這里將使用 2-SiC 混合 3L-ANPC 整流器來改進調制，如圖 3 所示。對于零電平操作，將使用 CZ 狀態。在第一種調制方案中，開關 S 1 S 3 S 5接通，開關 S 2 S 4 S 6斷開。首先，在 S 5關斷期間，電流將流過與其相連的二極管。然后 S 6將打開并且 S 1將關閉，因此橋臂電壓達到零。S 5將關閉，因為沒有電流流過 S 5，所以它是 ZCS 操作。S 2兩端的電壓為零，這意味著開啟S 2是一個ZVS 操作[1]。在這種新的調制方案中，開關損耗不會增加，但電容器的充電和放電損耗仍然存在，但這些損耗可以忽略不計。

圖 2：4-SiC 混合 3L-ANPC 整流器

圖 3：2-SiC 混合 3L-ANPC 整流器

整流器比較

2-SiC 混合整流器 P 和 CZ 狀態轉換所需的步數比 4-SiC 混合整流器所需的步數多，這往往會增加死區時間，電容器的充電放電損耗也增加，但傳導損耗降低 [1]。在 4-SiC 混合整流器中，充電放電損耗保持不變，傳導損耗比 2-SiC 混合方案降低得更多。因此，4-SiC 混合調制方案可以提供更高的效率，但該方案不能應用于逆變器

實驗結果和原型

圖 4 顯示了用于評估所提出的調制方案的效率的原型。建議的原型具有 2KW 的額定功率和 800V 的直流電壓。輸入為 220V AC，頻率為 50Hz，開關頻率為 40Hz [1]。分別為1.4mH和4.7uF的濾波電感和電容。結果表明，在S 6導通和關斷期間改進調制方案，漏源電壓為零，因此開關損耗不會增加。電容器的充電放電損耗也不會改變。由于漏源電壓的明顯尖峰，該方案不適用于逆變器。結果還表明，效率提高了 0.05% 到 0.2% [1]。

圖 4：Si & SiC 混合 3L-ANPC 轉換器

結論

由于使用 SiC 器件，改進的調制方案降低了傳導和開關損耗。結果表明，4-SiC混合3L-ANPC整流器可以獲得更高的效率。效率提高了 0.05% 到 0.2%。改進的調制方案有一個缺點：由于電壓尖峰問題，它不能應用于逆變器應用。

審核編輯：郭婷