基于 SiC 的 ANPC 拓扑比较

碳化硅器件因其对现代电力电子应用的众多优势而越来越受欢迎。1,2为了补偿 SiC 功率器件的较高成本，人们提出了混合 Si-SiC 拓扑。3,4在此类拓扑中，例如有源中性点钳位 (ANPC) 转换器，Si 器件以其基频或低于 SiC 器件的频率进行开关，而 SiC 器件则以高频进行开关。然而，器件损耗分布不均匀，这对于转换器的运行至关重要。

本文将根据热模型和器件损耗对传统 ANPC 拓扑和基于 SiC 的 ANPC 拓扑进行比较分析。5

ANPC 拓扑

图 1 显示了三种基于 SiC 的 ANPC 转换器拓扑。图 1a 显示了基于 SiC 的 ANPC 转换器。它的每个相臂由六个 SiC MOSFET组成，以实现高效率。在此拓扑中，调制方案在零状态操作期间应用开关状态，以便激活中间的所有 SiC MOSFET（S2、S3、S5 和 S6）。这导致传导损耗减少。此外，由于所有器件均为 SiC MOSFET，因此开关损耗极小。因此，该转换器在高开关频率下获得高效率。然而，成本过高是由于每个相脚使用了六个 SiC MOSFET。

图1b和1c分别显示了具有四个和两个SiC器件的混合ANPC转换器，以降低转换器的成本并获得与纯SiC ANPC相当的性能。在这些拓扑中，Si IGBT 以基频开关，而 SiC MOSFET 以更高频率开关。由于 SiC MOSFET 的开关损耗特性降低，因此可以以更低的成本实现更高的效率。转换器开关之间开关应力分布不均匀是前面描述的混合 ANPC 拓扑的一个问题。

 
图 1：基于 SiC 的 ANPC 拓扑及其各自的调制方案（Belkhode, S.、Shukla, A. 和 Doolla, S.，2021）

损耗分析

转换器器件损耗包括传导损耗和开关损耗。对于负载电流 i L的正方向，所有 SiC ANPC 转换器在有源和零状态下的传导损耗 P C由以下两个方程给出：

其中r ds和r d分别是 SiC MOSFET 和 SiC 二极管的导通电阻。

负载电流正方向的四个 SiC ANPC 转换器在工作状态和空状态下的传导损耗由以下两个方程给出：

其中P c(Si–IGBT)、v on和r ce分别代表 Si IGBT 的传导损耗、零电流时的通态压降和通态电阻。

同样，负载电流正方向的两个 SiC ANPC 转换器在工作状态和空状态下的传导损耗由以下两个方程给出：

对于各个器件，可以使用在不同负载电流值下的双脉冲测试获得的特性来确定开关损耗。利用这些特性，可以使用以下两个方程确定给定开关电流 (i sw )值下的导通 (P sw –on ) 和关断 (P sw –off ) 功率损耗：

基于 SiC 的 ANPC 拓扑比较

其中T s是切换时间，k x (x = 1, 2, 3, 4, 5, 6) 是曲线拟合常数。

对于所选开关器件，器件损耗与结温之间的关系由以下等式给出：

其中T jx1和T jx0分别是新旧结温值，a 1和a 2是曲线拟合常数，P loss(Tjx0)表示总开关损耗，包括导通损耗和开关损耗。
T j还取决于开关损耗，如下式所示：

其中R (j–c)x和R (c–h)x分别表示结点与外壳之间以及外壳与散热器之间的热阻，x是开关编号，T h是散热器的温度，由以下公式给出方程：

其中T a是环境温度，R (h–a)是散热器的热阻，P Total表示转换器的总器件损耗。

为了计算器件损耗和结温的稳态值，采用了将损耗方程与结温值耦合的闭环方法。确定开关损耗后，使用给定参数和公式 11 评估散热器的温度。图 2 描述了所讨论拓扑的计算器件损耗。

显然，在所有考虑的拓扑中，器件损耗的分布并不均匀。此外，由于 SiC MOSFET S2 应力过大，两种 SiC ANPC 拓扑的器件损耗相对较高（图 2c）。在所有考虑的拓扑中，器件的结温也是不均匀的，并且遵循与器件损耗相同的轨迹。

图 2：不同 ANPC 拓扑的器件损耗

热分析

使用基于有限元法 (FEM) 的仿真，开发了散热器的 3D 模型，以检查不均匀损耗耗散的影响。计算设备损耗并将其用作该 FEM 模型的输入，并进行闭环仿真。

各个设备的散热器温度可以使用以下公式计算：

其中T hx表示所提供的开关x 的散热器接触温度，P loss(x)表示对应于同一开关的计算损耗。然后将这些 T hx值输入到散热器的 3D FEM 模型中，以计算散热引起的稳态温度。然后将所得的散热器接触温度值应用到公式 10 以确定更新的结温。

在两种基于 SiC 的 ANPC 拓扑中，开关损耗集中在内部开关上，这些开关是大部分时间导通且具有较高结温的 SiC MOSFET。因此，在这些混合拓扑中，具有开关应力的开关可以保持在允许地向环境传递热量的位置。

在包含 Si/SiC 器件组合和损耗不对称分布的拓扑中，传统的热模型不适合产生准确的结果。传统热模型的结果可能会导致一些设计的转换器开关承受过大的应力并发生故障。因此，在转换器的设计过程中必须考虑不同散热器接触温度的影响，这对于所提出的方法是可行的。