基于SiC MOSFET的高功率密度空调三相PWM整流器

2022-11-26刘翔

日用电器 2022年10期

刘翔

（深圳慧能泰半导体科技有限公司深圳 518052）

引言

作为满足法规要求的谐波电流抑制和功率因数校正解决方案三相PWM整流器如图1中所示，在工业上、暖通行业内广泛用于用无源滤波器或并联有源电力滤波器取代通用二极管桥式整流器[1-4]。作为整流器或前端变流器，三相PWM整流器提供恒定的直流母线电压，VFD型负载可以利用该电压，而无需额外的算法来对直流母线电压上的纹波作出反应，并增加基波电压的幅值。从电网侧来看，在一定的负载条件下，可以将功率因数控制在1左右，并且可以抑制输入交流电流的THDi[5,6]。

图1 三相PWM整流器拓扑

随着宽禁带第三代半导体的发展，例如主要用于应用的氮化镓（GaN）需要600 V/650 V以下的反向阻断电压，以及1 200 V以上反向阻断电压的碳化硅（SiC）[7]。与传统的硅基IGBT模块相比，使用SiC基MOSFET可以减少反向恢复损耗、死区时间和传导损耗，从而降低功率模块的功率损耗。因此，这些PWM整流器的效率可以达到非常高的水平。在之前的研究中[8-13]，功率器件基于单片SiC MOSFET或半桥SiC模块。因此，需要复杂的集成过程来实现高功率密度，尤其是包括控制板和板上的电感器，并在功率密度和输入交流电流THDi性能之间进行权衡。

本文提出了在基于SiC MOSFET IPM（智能功率模块）的设计和实验研究，应用于8 kW三相PWM整流器。在380 Vac（-15 ～ 10）%交流输入条件下，与采用IGBT IPM方案实现的方案进行了详细的比较，充分体现了其成本、性能、体积的综合优势。

1 三相 PWM整流器的设计

三相PWM整流器的电网电压，直流母线电压将由电网输入电压的均方根值、功率设备的额定电流死区时间和PWM调制方法确定。一般来说，直流母线电压将设置为（650 ～ 700）Vdc，以满足系统需求并考虑整体效率，如表1所示。

表1 8 kW三相PWM整流器设计规格

除这些基本系统条件外，根据有关额定输入电流的规定，正弦输入电流在全球市场上的均方根值小于16 A，应满足IEC 61000-3-2标准规定，而中国大陆应满足GB/T14549-93标准。在工业应用中，在一定负载条件下，每相电流总THDi通常应小于5 %。此外，作为功率因数校正器的整体解决方案，PWM整流器基本的控制逻辑将使电源行为应在特定负载条件下将功率因数校正到高于0.99。

基于表2的SiC-MOSFET IPM解决方案和IGBT IPM解决方案的系统配置都可以满足前面讨论的要求。SiC IPM解决方案和IGBT IPM解决方案的本质区别在于开关频率。宽禁带半导体器件SiC MOSFET与硅半导体的IGBT器件相比，其开关损耗和传导损耗低得多，因此可以设计用于高开关频率应用。因此，IGBT IPM解决方案，考虑成本和性能之间的平衡开关频率设计为16 kHz。对于全SiC MOSFET IPM解决方案，它可以利用其高开关频率来改善PWM整流器的特性。

2 SiC-MOSFET IPM带来的性能提升

SiC MOSFET IPM解决方案和IGBT IPM解决方案的配置如表2所示，可见SiC IPM解决方案的开关频率是IGBT IPM解决方案的两倍，因此，可以选择体积较小的无源元件，尤其是SiC IPM解决方案中的电感。然而，即使具有更高的开关频率，SiC器件的开关特性仍比IGBT具有更好的性能。与IGBT IPM解决方案相比，SiC IPM解决方案的散热器可以很好地设计为具有小散热器，从而大大降低了开关损耗和传导损耗。三相PWM整流器的原型如图2所示。

图2 本文所提出的基于SiCMOSFETIPM的三相PWM整流器原型机

表2 三相PWM整流器解决方案配置对比

2.1 功率模块

基本上，全SiC MOSFET IPM在直流特性和交流特性上，其性能优于传统的硅IGBT智能功率模块。在直流特性如Vds（on）/Vce（sat），SiC MOSFET IPM在导通电流高至25 A时仍显示出比基于硅基的 IGBT IPM更好的性能，如图3所示。如图4所示，在开关损耗（ESW）等交流特性的情况下SiC MOSFET IPM显示出比Si IGBT IPM更好的性能。特别是，SiC MOSFET IPM的25 ℃和150 ℃之间的ESW差异几乎相同。然而，Si IGBT IPM在TC=150 ℃时的ESW比TC=25 ℃时的ESW高60 %。因此，SiC MOSFET IPM的这些优越特性可以在更高的开关频率条件下提高效率。

图3 IPM直流特性对比

图4 IPM交流特性对比

表3是给定条件下基于两个器件特性的功率损耗仿真结果。其中，VDC=600 V，VDD=15 V，FSW=16/36 kHz，SVPWM，MI=0.8，PF=0.9，TC=100 ℃基于仿真结果，SiC MOSFET IPM在FSW=16 kHz时的功率损耗比Si IGBT IPM小60 %，在FSW=36 kHz时的功率损耗比Si IGBT IPM小70 %。此外，由于SiC MOSFET具有更高电流密度的优越特性，SiC MOSFET IPM能够实现比传统35 A Si IGBT IPM小64 %的封装尺寸。

表3 IPM功率损耗仿真对比

2.2 实验结果

三相PWM整流器通过连接到直流母线电压输出端子的恒流负载进行测试。从功率分析仪读取的实验结果如图5、6所示，效率曲线如图7所示，以及电网各相谐波电流如图8所示。在极大的满足电流谐波抑制需求的条件下，相比之下SiC MOSFET IPM解决方案由于其较低的开关损耗和导通损耗而被证明是更有效的整体解决方案。如图7所示的实验结果表明，在380 Vac的正常电网电压下，SiC IPM解决方案的效率将提高2.5 %，总解决方案的损耗约为200 W。对于IGBT IPM解决方案，在6 kW时效率继续下降到94 %，而在相同情况下，当输入电流增加时，SiC IPM的导通损耗略有增加，但SiC IPM解决方案的效率仍为97 %。

图5 三相PWM整流器运行基本参数

图6 三相PWM整流器运行波形：CH1/CH2/CH3，网侧电流；CH4，母线纹波电压

图7 三相整流器效率对比

图8 基于SiC MOSFET IPM的三相PWM整流器电网谐波电流

2.3 整体尺寸与功率密度

考虑PCB板（包括浪涌继电器/电阻器、功率直流母线电容器、辅助电源和功率模块等相同功能）、电感器和散热器的IGBT IPM解决方案和SiC IPM解决方案的总体体积。因此，表4中包含了各部分的筏体积比较。在采用SiC IPM的常见配置下，功率密度比IGBT IPM解决方案提高了约2.773倍，三相PWM整流器的总体积减少了64 %。