離網(wǎng)場景下SiC MOSFETs應(yīng)用于三相四橋臂變流器的優(yōu)勢

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工商業(yè)側(cè)儲能正以其經(jīng)濟(jì)性，電網(wǎng)友好性等特點蓬勃發(fā)展，其中離網(wǎng)應(yīng)用場景下，不平衡負(fù)載帶載能力，諧波畸變度等都是其PCS的重要指標(biāo)。三相四橋臂（3P4L）變流器具有最強的不平衡負(fù)載能力，但對比三相三線（3P3W）系統(tǒng)，成本增加，諧波畸變度更高。SiC MOSFETs由于其優(yōu)越的材料特性與器件特性，相較IGBT可大幅提升開關(guān)頻率，本文通過理論分析結(jié)合仿真結(jié)果說明SiC MOSFETs更加適用于三相四橋臂變流器，是更具性價比的方案選擇。

梗概

隨著全球低碳化的進(jìn)程，可再生能源發(fā)電占比及滲透率越來越高，此種背景下，儲能系統(tǒng)的引入有效抑制了新能源發(fā)電的波動性，PCS作為儲能系統(tǒng)的核心裝置應(yīng)用廣泛。在工商業(yè)應(yīng)用里，存在單相負(fù)載與三相不平衡負(fù)載，為了滿足單相供電需求以及對三相不平衡電壓的抑制，三相四線變流器拓?fù)涫欠浅１匾模Ｒ姷耐負(fù)湫问接幸韵聨追N：

a)三橋臂分裂電容式拓?fù)?/i>

b) 平衡橋臂拓?fù)?/i>

圖一

分裂電容式拓?fù)?，由于N線電流流過母線電容，電容容量需求增大，且直流電壓利用率較低，諧波畸變較大，抑制三相不平衡能力相對有限，平衡橋臂式拓?fù)渫ㄟ^硬件電路增強中點平衡控制能力，帶不平衡負(fù)載能力得到一定加強。

圖二、三相四橋臂拓?fù)?/i>

三相四橋臂拓?fù)洌矠楸疚闹饕芯客負(fù)?，增加了第四橋臂以增加控制自由度，電容容量的需求小于前者?？刹捎?d-SVPWM調(diào)制或三次諧波注入的載波調(diào)制方法，將三相解耦為獨立的單相控制，可以處理100%的不平衡電流，直流電壓利用率也得到了提升，但諧波表現(xiàn)依舊差于三相三線拓?fù)?，需要采用合適功率器件與拓?fù)鋪砀纳啤?/p>

SiC材料對比Si材料具有更高的電子漂移速率，同時SiC MOSFET由于其單極性導(dǎo)電特性，不存在IGBT關(guān)斷時的拖尾現(xiàn)象，Eoff相較IGBT大幅減小，SiC二極管反向恢復(fù)能量很小，因此SiC MOSFET的開通損耗也遠(yuǎn)小于Si IGBT，下圖為同電流規(guī)格的SiC MOSFET與IGBT開關(guān)損耗的基準(zhǔn)對比，相同電流情況下SiC MOSFET顯示出更優(yōu)的開關(guān)損耗以及更小的溫度相關(guān)性。

由于IGBT pnpn的四層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)通特性存在一個轉(zhuǎn)折壓降，而SiC MOSFET的輸出特性曲線類似于一條正比例直線，在小電流區(qū)域內(nèi)，SiC MOSFET具有明顯更小的導(dǎo)通損耗，對比如下圖。

圖三、同電流規(guī)格SiC MOSFET與IGBT損耗對比

三相四橋臂變流器與三相三橋臂變流器輸出的相電壓電流波形如下，三相四橋臂拓?fù)潆妷号_階減少，諧波畸變更大，在相同的濾波器參數(shù)下，3P4L拓?fù)涞妮敵鲭娏鱐HD較3P3L拓?fù)渥儾?9.5%，因此對于3P4L變流器，為滿足系統(tǒng)諧波要求，如果采用IGBT方案需要應(yīng)用多重化拓?fù)浠蛉娖酵負(fù)?，都會大大增加系統(tǒng)成本，而采用SiC MOSFETs方案，由于開關(guān)頻率的顯著提升，兩電平拓?fù)浼纯蓾M足系統(tǒng)諧波需求，本文應(yīng)用PLECS仿真，定量對比三電平三相四橋臂IGBT方案與兩電平三相四橋臂SiC MOSFET方案，采用同等電流規(guī)格分立器件，SiC MOSFETs方案在系統(tǒng)效率，電流諧波畸變，濾波器參數(shù)選擇，器件溫升層面都具有一定優(yōu)勢，以此說明在三相四橋臂拓?fù)湎耂iC方案的價值所在。

a) 3P3L拓?fù)漭敵鱿嚯妷合嚯娏鞑ㄐ?，電流THD=3.23%

b) 3P4L拓?fù)漭敵鱿嚯妷合嚯娏鞑ㄐ危娏鱐HD=4.83%

圖四