具有電池存儲(chǔ)的光伏裝置越來越受歡迎，這是由于需要更具彈性的能源基礎(chǔ)設(shè)施來滿足需求波動(dòng)。與只需要支持0.8至1功率因數(shù)范圍的傳統(tǒng)太陽能逆變器不同，支持電網(wǎng)電池充電的雙向逆變器也需要以-1的功率因數(shù)運(yùn)行。有源中性點(diǎn)鉗位（ANPC）逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在這種雙向操作方面的優(yōu)勢已經(jīng)得到充分證明，領(lǐng)先的光伏逆變器制造商已經(jīng)將其納入其解決方案中。

隨著每千瓦時(shí)價(jià)格的上漲，設(shè)備制造商正在尋求進(jìn)一步提高其解決方案的效率，同時(shí)最大限度地減少對其設(shè)計(jì)所需的系統(tǒng)級修改。為此，他們轉(zhuǎn)向碳化硅元件，以利用其更高的功率密度和比標(biāo)準(zhǔn)硅元件更低的歐姆損耗。

***圖1. *在二極管和MOSFET溝道的I-V特越點(diǎn)之前，同步整流可顯著節(jié)省傳導(dǎo)損耗。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

* 圖2. 比較外部開關(guān)調(diào)制和內(nèi)部開關(guān)調(diào)制在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（左和右）和成本（中間）方面。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

在本文中，我們將介紹如何使用同步整流（SR）優(yōu)化ANPC逆變器拓?fù)?/a>的功率效率和成本。我們提供有關(guān)選擇最佳ANPC拓?fù)?/a>的見解，以充分利用日益流行的SiC MOSFET的功能。最后，我們提出了模擬，將模塊損耗和效率與其他方法進(jìn)行比較。

什么是同步整流？

但首先，什么是同步整流，它在提高當(dāng)前整流效率方面起什么作用？同步整流是一種通過用MOSFET的阻性通道代替二極管PN結(jié)壓降來降低續(xù)流路徑中傳導(dǎo)損耗的方法。

圖1顯示了二極管以及MOSFET溝道在25 °C和125 °C時(shí)的導(dǎo)通損耗。 傳導(dǎo)損耗節(jié)省由紅色箭頭指示的曲線之間的面積給出。在達(dá)到兩種I-V特性的交越點(diǎn)之前，同步整流可顯著節(jié)省傳導(dǎo)損耗。

注意交越點(diǎn)的溫度依賴性：雖然二極管上的正向電壓隨著溫度的升高而降低，但MOSFET在導(dǎo)通狀態(tài)Rds（on）的電阻增加，交越點(diǎn)向二極管移動(dòng)。

ANPC一瞥

有源中性點(diǎn)鉗位逆變器拓?fù)?/a>將直流鏈路電壓轉(zhuǎn)換為可變頻率的交流電壓。與半橋或六橋相比，ANPC拓?fù)湓谳敵龆颂峁╊~外的電壓電平，不僅可以跳到DC+和DC-，還可以跳到零。它主要用于高效三相光伏逆變器和具有雙向運(yùn)行要求的應(yīng)用，例如電池存儲(chǔ)。在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用中，元件的阻斷電壓為 950 V 或 1200 V，可實(shí)現(xiàn)超過 1500 V 的 DC-Link 電壓。這使得ANPC逆變器成為1500 V應(yīng)用的完美匹配。

三電平ANPC拓?fù)渚哂?個(gè)有源開關(guān)（IGBT或MOSFET）和4至6個(gè)二極管，通常使用兩種主要調(diào)制技術(shù)之一：外部和內(nèi)部開關(guān)調(diào)制。在外部開關(guān)調(diào)制的情況下，連接到直流母線的四個(gè)開關(guān)以所需的扼流圈頻率（通常> 16 kHz）進(jìn)行開關(guān)，而另外兩個(gè)開關(guān)以線路頻率（50-60 Hz）進(jìn)行開關(guān)。在內(nèi)部開關(guān)調(diào)制中，情況正好相反，連接到直流母線的四個(gè)開關(guān)以線路頻率切換，另外兩個(gè)以所需的扼流圈頻率切換。

雖然這兩種方案在功率效率方面不相上下，但它們在其他關(guān)鍵因素方面有所不同，即簡單性和成本。由于只有SiC MOSFET才能提供高頻開關(guān)所需的開關(guān)速度，因此外部開關(guān)調(diào)制需要它們位于四個(gè)位置，與只需要兩個(gè)位置的內(nèi)部開關(guān)調(diào)制相比，成本顯著增加。此外，實(shí)現(xiàn)外部開關(guān)調(diào)制的同步整流（正負(fù)正弦周期使用不同的開關(guān)對）需要更復(fù)雜的脈寬調(diào)制（PWM）方案。

同時(shí)，內(nèi)部開關(guān)調(diào)制對所有操作模式使用相同的開關(guān)對。內(nèi)部開關(guān)調(diào)制作為混合電路實(shí)現(xiàn)，在兩個(gè)位置使用四個(gè)硅絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 和 SiC MOSFET，是最具成本效益的解決方案，為使用 SiC MOSFET 和同步整流的應(yīng)用提供最佳拓?fù)洹?/p>

具有內(nèi)部開關(guān)調(diào)制的ANPC

具有內(nèi)部開關(guān)調(diào)制的ANPC拓?fù)涞淖罴褜?shí)現(xiàn)取決于最終應(yīng)用的特定設(shè)計(jì)約束。下圖表示拓?fù)涞膬煞N變體。第一種使用MOSFET的導(dǎo)電通道作為續(xù)流二極管，正如我們所看到的，這是同步整流的基礎(chǔ)。第二個(gè)去耦高邊和低邊開關(guān)，并聯(lián)一個(gè)額外的續(xù)流碳化硅肖特基勢壘二極管（SBD），與MOSFET體二極管并聯(lián)。

* 圖3. 將內(nèi)部開關(guān)調(diào)制與同步整流（左）與使用額外的續(xù)流 SiC SBD 并聯(lián)到 MOSFET 體二極管（右）進(jìn)行比較。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

成本敏感型應(yīng)用通常更喜歡第一種變體，它使用更少的組件，并且由于SiC含量最小化，提供最低的模塊成本。請注意，由于MOSFET體二極管的高正向電壓，這里必須進(jìn)行同步整流。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)例子是 LR88 系列的 Vincotech ANPC 逆變器模塊。

另一方面，具有對重新導(dǎo)通敏感的SiC MOSFET的應(yīng)用更適合第二種變體，該變體使用續(xù)流SiC SBD，但由于額外的SiC組件，模塊成本更高。雖然使用此拓?fù)洳恍枰秸鳎捎糜谶M(jìn)一步提高效率。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)例子是LC59/69系列Vincotech ANPC逆變器模塊。

具有同步整流的ANPC的PWM模式

當(dāng)實(shí)現(xiàn)具有同步整流的ANPC時(shí)，基本的PWM模式和占空比定義與傳統(tǒng)ANPC相對應(yīng)。不同之處在于將續(xù)流時(shí)間分為三個(gè)階段。以下部分以正線路電壓和電流為例顯示了續(xù)流階段。

***圖4. *具有同步整流的ANPC的PWM模式。圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]

t1-t2：電流流過MOSFET體二極管（T14）。

此階段可確保適當(dāng)?shù)膿Q向，并避免在 T13 關(guān)閉和 T14 開啟期間發(fā)生交叉?zhèn)鲗?dǎo)。通過完美的驅(qū)動(dòng)信號匹配，理論上可以將這個(gè)時(shí)間優(yōu)化為零。

t2-t3：MOSFET導(dǎo)通，電流流過導(dǎo)電通道。 應(yīng)盡可能長時(shí)間地進(jìn)行此階段，以最大程度地提高效率。

t3-t4：MOSFET 關(guān)斷，電流流過體二極管。 最后階段可確保適當(dāng)?shù)膿Q向，并避免在T14關(guān)閉和T13開啟期間發(fā)生交叉?zhèn)鲗?dǎo)。通過完美的驅(qū)動(dòng)信號匹配，理論上可以將這個(gè)時(shí)間優(yōu)化為零。

比較效率

為了將ANPC與同步整流的效率與使用體二極管的實(shí)現(xiàn)和使用SiC SBD的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行比較，我們首先確定了仿真的邊界條件。

為此，我們使用Vincotech flowANPC S3功率模塊評估了SiC MOSFET的典型I-V特性，該模塊使用內(nèi)部開關(guān)調(diào)制，無需續(xù)流二極管與SiC MOSFET體二極管并聯(lián)。

* 圖5. SiC MOSFET 在結(jié)溫 Tj 為 150 °C 時(shí)的典型 I-V 特性。 圖片由 Bodo 的動(dòng)力系統(tǒng)提供 [PDF]*

同步整流在第三象限（Q3）進(jìn)行。在此階段，MOSFET溝道完全導(dǎo)通，柵源電壓（VGS）高于14 V。MOSFET 溝道壓降低于其體二極管的壓降。

圖6. 將ANPC的功率和成本效率與（i）SR，（ii）MOSFET的體二極管和（iii）額外的SiC SBD進(jìn)行比較。 仿真條件：Vdc=1350V，Vac=460V，cosphi=0.8，fsw=16kHz，Rg=4R，Ths=80°C。 *圖片由Bodo的電力系統(tǒng)提供 [PDF]*

在結(jié)溫 Tj 為 150 °C 且電流為 -250 A 時(shí)，MOSFET 溝道壓降 V DS （SR），為-2.5 V，而體二極管壓降為-5 V。

將采用同步整流的ANPC效率與使用體二極管和另一種使用SiC SBD的方案（如圖5所示）進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)具有同步整流的ANPC在整個(gè)功率范圍內(nèi)提供最高的效率。它還表明，ANPC從高輸出功率下的同步整流中受益最大，從而減少了損耗并提高了效率。在較低的輸出功率下，由于續(xù)流電流低，同步整流的優(yōu)勢較小。

如圖所示，用于續(xù)流的額外SiC SBD幾乎與SR的效率相當(dāng)，但模塊的成本增加了18%。正如預(yù)期的那樣，由于正向電壓較高，使用SiC MOSFET的體二極管在高電流下續(xù)流是一個(gè)糟糕的選擇。

提高電源應(yīng)用的效率

在本文中，我們介紹了適用于新興應(yīng)用的最佳ANPC逆變器拓?fù)?/a>，例如光伏逆變器和電池存儲(chǔ)解決方案。特別是，我們看到具有內(nèi)部開關(guān)調(diào)制的ANPC由于其較低的SiC含量，因此比具有外部開關(guān)調(diào)制的拓?fù)涓叱杀拘б妗?/p>

摒棄碳化硅SBD續(xù)流二極管，使用碳化硅MOSFET反向傳導(dǎo)通道可帶來更多好處。其中包括減少所需組件的數(shù)量，釋放DCB上的空間，以及在不損失性能的情況下進(jìn)一步降低模塊成本。事實(shí)上，具有同步整流的ANPC比具有SiC SBD的ANPC具有更高的效率，并且在大多數(shù)情況下，不需要更改系統(tǒng)架構(gòu)，包括柵極驅(qū)動(dòng)電路甚至微控制器。

最后，Vincotech flowANPC S3功率模塊提供的具有同步整流功能的ANPC在性價(jià)比方面排名第一，使其成為各種電力電子應(yīng)用的理想解決方案。在 vincotech.com 了解有關(guān)APNC逆變器拓?fù)涞母嘈畔ⅲ⑻剿魑覀冡槍夥㈦姵卮鎯?chǔ)和不間斷電源（UPS）應(yīng)用需求量身定制的全系列逆變器模塊。