劉 翔

（深圳慧能泰半導(dǎo)體科技有限公司 深圳 518052）

引言

作為滿足法規(guī)要求的諧波電流抑制和功率因數(shù)校正解決方案三相PWM整流器如圖1中所示，在工業(yè)上、暖通行業(yè)內(nèi)廣泛用于用無源濾波器或并聯(lián)有源電力濾波器取代通用二極管橋式整流器[1-4]。作為整流器或前端變流器，三相PWM整流器提供恒定的直流母線電壓，VFD型負載可以利用該電壓，而無需額外的算法來對直流母線電壓上的紋波作出反應(yīng)，并增加基波電壓的幅值。從電網(wǎng)側(cè)來看，在一定的負載條件下，可以將功率因數(shù)控制在1左右，并且可以抑制輸入交流電流的THDi[5,6]。

圖1 三相PWM整流器拓撲

隨著寬禁帶第三代半導(dǎo)體的發(fā)展，例如主要用于應(yīng)用的氮化鎵（GaN）需要600 V/650 V以下的反向阻斷電壓，以及1 200 V以上反向阻斷電壓的碳化硅（SiC）[7]。與傳統(tǒng)的硅基IGBT模塊相比，使用SiC基MOSFET可以減少反向恢復(fù)損耗、死區(qū)時間和傳導(dǎo)損耗，從而降低功率模塊的功率損耗。因此，這些PWM整流器的效率可以達到非常高的水平。在之前的研究中[8-13]，功率器件基于單片SiC MOSFET或半橋SiC模塊。因此，需要復(fù)雜的集成過程來實現(xiàn)高功率密度，尤其是包括控制板和板上的電感器，并在功率密度和輸入交流電流THDi性能之間進行權(quán)衡。

本文提出了在基于SiC MOSFET IPM（智能功率模塊）的設(shè)計和實驗研究，應(yīng)用于8 kW三相PWM整流器。在380 Vac（-15 ～ 10）%交流輸入條件下，與采用IGBT IPM方案實現(xiàn)的方案進行了詳細的比較，充分體現(xiàn)了其成本、性能、體積的綜合優(yōu)勢。

1 三相 PWM整流器的設(shè)計

三相PWM整流器的電網(wǎng)電壓，直流母線電壓將由電網(wǎng)輸入電壓的均方根值、功率設(shè)備的額定電流死區(qū)時間和PWM調(diào)制方法確定。一般來說，直流母線電壓將設(shè)置為（650 ～ 700）Vdc，以滿足系統(tǒng)需求并考慮整體效率，如表1所示。

表1 8 kW三相PWM整流器設(shè)計規(guī)格

除這些基本系統(tǒng)條件外，根據(jù)有關(guān)額定輸入電流的規(guī)定，正弦輸入電流在全球市場上的均方根值小于16 A，應(yīng)滿足IEC 61000-3-2標準規(guī)定，而中國大陸應(yīng)滿足GB/T14549-93標準。在工業(yè)應(yīng)用中，在一定負載條件下，每相電流總THDi通常應(yīng)小于5 %。此外，作為功率因數(shù)校正器的整體解決方案，PWM整流器基本的控制邏輯將使電源行為應(yīng)在特定負載條件下將功率因數(shù)校正到高于0.99。

基于表2的SiC-MOSFET IPM解決方案和IGBT IPM解決方案的系統(tǒng)配置都可以滿足前面討論的要求。SiC IPM解決方案和IGBT IPM解決方案的本質(zhì)區(qū)別在于開關(guān)頻率。寬禁帶半導(dǎo)體器件SiC MOSFET與硅半導(dǎo)體的IGBT器件相比，其開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗低得多，因此可以設(shè)計用于高開關(guān)頻率應(yīng)用。因此，IGBT IPM解決方案，考慮成本和性能之間的平衡開關(guān)頻率設(shè)計為16 kHz。對于全SiC MOSFET IPM解決方案，它可以利用其高開關(guān)頻率來改善PWM整流器的特性。

2 SiC-MOSFET IPM帶來的性能提升

SiC MOSFET IPM解決方案和IGBT IPM解決方案的配置如表2所示，可見SiC IPM解決方案的開關(guān)頻率是IGBT IPM解決方案的兩倍，因此，可以選擇體積較小的無源元件，尤其是SiC IPM解決方案中的電感。然而，即使具有更高的開關(guān)頻率，SiC器件的開關(guān)特性仍比IGBT具有更好的性能。與IGBT IPM解決方案相比，SiC IPM解決方案的散熱器可以很好地設(shè)計為具有小散熱器，從而大大降低了開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。三相PWM整流器的原型如圖2所示。

圖2 本文所提出的基于SiCMOSFETIPM的三相PWM整流器原型機

表2 三相PWM整流器解決方案配置對比

2.1 功率模塊

基本上，全SiC MOSFET IPM在直流特性和交流特性上，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的硅IGBT智能功率模塊。在直流特性如Vds（on）/Vce（sat），SiC MOSFET IPM在導(dǎo)通電流高至25 A時仍顯示出比基于硅基的 IGBT IPM更好的性能，如圖3所示。如圖4所示，在開關(guān)損耗（ESW）等交流特性的情況下SiC MOSFET IPM顯示出比Si IGBT IPM更好的性能。特別是，SiC MOSFET IPM的25 ℃和150 ℃之間的ESW差異幾乎相同。然而，Si IGBT IPM在TC=150 ℃時的ESW比TC=25 ℃時的ESW高60 %。因此，SiC MOSFET IPM的這些優(yōu)越特性可以在更高的開關(guān)頻率條件下提高效率。

圖3 IPM直流特性對比

圖4 IPM交流特性對比

表3是給定條件下基于兩個器件特性的功率損耗仿真結(jié)果。其中，VDC=600 V，VDD=15 V，F(xiàn)SW=16/36 kHz，SVPWM，MI=0.8，PF=0.9，TC=100 ℃基于仿真結(jié)果，SiC MOSFET IPM在FSW=16 kHz時的功率損耗比Si IGBT IPM小60 %，在FSW=36 kHz時的功率損耗比Si IGBT IPM小70 %。此外，由于SiC MOSFET具有更高電流密度的優(yōu)越特性，SiC MOSFET IPM能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)35 A Si IGBT IPM小64 %的封裝尺寸。

表3 IPM功率損耗仿真對比

2.2 實驗結(jié)果

三相PWM整流器通過連接到直流母線電壓輸出端子的恒流負載進行測試。從功率分析儀讀取的實驗結(jié)果如圖5、6所示，效率曲線如圖7所示，以及電網(wǎng)各相諧波電流如圖8所示。在極大的滿足電流諧波抑制需求的條件下，相比之下SiC MOSFET IPM解決方案由于其較低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗而被證明是更有效的整體解決方案。如圖7所示的實驗結(jié)果表明，在380 Vac的正常電網(wǎng)電壓下，SiC IPM解決方案的效率將提高2.5 %，總解決方案的損耗約為200 W。對于IGBT IPM解決方案，在6 kW時效率繼續(xù)下降到94 %，而在相同情況下，當輸入電流增加時，SiC IPM的導(dǎo)通損耗略有增加，但SiC IPM解決方案的效率仍為97 %。

圖5 三相PWM整流器運行基本參數(shù)

圖6 三相PWM整流器運行波形：CH1/CH2/CH3，網(wǎng)側(cè)電流；CH4，母線紋波電壓

圖7 三相整流器效率對比

圖8 基于SiC MOSFET IPM的三相PWM整流器電網(wǎng)諧波電流

2.3 整體尺寸與功率密度

考慮PCB板（包括浪涌繼電器/電阻器、功率直流母線電容器、輔助電源和功率模塊等相同功能）、電感器和散熱器的IGBT IPM解決方案和SiC IPM解決方案的總體體積。因此，表4中包含了各部分的筏體積比較。在采用SiC IPM的常見配置下，功率密度比IGBT IPM解決方案提高了約2.773倍，三相PWM整流器的總體積減少了64 %。

表4 兩種諧波解決方案的體積與功率密度對比

4 結(jié)束語

在電流諧波抑制標準日益嚴苛的當下，基于SiC MOSFET IPM第三代半導(dǎo)體器件的三相PWM整流器解決方案具有諸多良好特性，使得空調(diào)整機在極大滿足諧波電流THDi抑制要求的前提下，升整流器的綜合效率、降低整流器裝置的體積并提升了整機的功率密度，該方案節(jié)能環(huán)保，具有較大的發(fā)展前景。