使用SiC的五电平单相转换器可降低开关电压应力
随着技术的进步，设备必须继续具有出色的性能和效率。尽管传统的多电平转换器 ( mlc ) 满足了这些需求，但它们仍然需要大量的电力电子开关和支持电路，并且系统复杂，所有这些都会导致额外的成本和庞大的系统。本文讨论了一种有效的 mlc 修改，它使用先进技术来增强传统类型的转换器。
mlc 是一种从低压组件生成高压波形的技术。它使用需要中等功率的设备，适用于使用高功率的应用。mlc 具有多种优势，例如改善输出波形、减少谐波和降低开关损耗。在需要大量功率和中低电压范围的区域中，它们是最佳选择。mlc 可用于工业中的 ac/ac 应用，以在稳压器中提供具有单位功率因数的正弦波输入电流，并保护计算机、医疗仪器和通信装置等敏感设备免受劣质电源的影响。dc/ac mlc 用于天然气、石油、采矿和海洋工业。在可再生能源低功耗应用中，mlc 是解决效率问题的有效解决方案。
mlc 具有三种类型的拓扑：飞跨电容器(fc)、中点钳位 (npc) 和级联 h 桥。可以修改 npc 型拓扑以产生称为 t 型拓扑的转换器。虽然这种拓扑结构降低了传导损耗（npc 的一个缺点），但它仍然存在高开关损耗。随后，研究人员提出了一种五电平系统，只需修改三电平 t 型拓扑，即可最大限度地降低开关电压应力。它包含了 t 型的所有优点，包括即兴的波形和减少谐波。在进一步修改后，提出了一个专注于高开关损耗的系统：一个 t 型高效转换器，其中外部开关被 sic mosfet 取代。
t型转换器的形成
图 1：三电平腿的五电平 t 型逆变器
上图为典型的由三电平t型腿组成的单相逆变器。它总共包含八个功率器件（即s 1a –s 4a和s 1b –s 4b）和反并联二极管。该电路有两种可能的三电平支路配置：共发射极 (ce) 或共集电极 (cc)。使用这些，可以引入两个新颖的支路，使用外部的两个 sic mosfet 开关和两个较低额定值的 si mosfet 作为双向开关，如下所示。
图 2：（a）cc 配置和（b）ce 配置中的新型 t 型腿
在图 2a 中，通过在点“x”处连接 s 1a的端子、开关 s 2a的集电极端子和 s 3a的集电极端子形成一个修改的腿（leg a） 。该配置是双向开关的cc配置。以相同的方式，使用s 4a、开关s 2a的发射极端子和在点“y”处的s 3a的发射极端子形成另一个修改的腿(leg b) 。这种配置是双向开关的 ce 排列，如图 2b 所示。
一级单相t型逆变器工作原理
图 3：使用 sic 的新型 t 型腿形成的逆变器
上图展示了一种新颖的逆变电路，一个五电平单相t型逆变器。它由两条先进的、改进的三级t型腿组成。该电路是一个简化版本，因为没有钳位二极管。在v a0和v b0处得到的电压电平有3个电压电平，作为输出得到的电压有5个电压电平，计算公式为：
v ab = v a0 - v b0
为了便于控制，需要互补逻辑的对称性是通过选择合适的开关编号来实现的。为了同时停止导通，定义了开关限制。所以，我们有：
其中x = 1, 2 和y = a, b。
图 4：工作模式和电流路径电路
上图显示了新型逆变器支路 a 的开关状态电路。如果相应的开关闭合，qx y为 1，如果开关打开，则为 0。相电流从直流链路的节点之一流出。根据开关状态，相应的电容器电压将出现在交流侧。经过进一步分析，可以观察到新型 t 型逆变器有助于抑制逆变器 leg a 和 leg b 的开关上的总电压应力。另一个积极的方面是 leg a 和 leg b 相互独立，可以用于形成多相转换器。
五电平单相t型变流器的仿真结果
图 5：基于相位配置的调制方案
可以使用各种调制技术，包括也用于其他拓扑的脉宽调制方案。但在本文中，我们关注的是相位配置调制，如上图所示。通过使用 wave 1 和 wave 2 作为载波，为 q1y 和 q2y 生成开关信号。正弦调制波的相位相差 180°。
采用相位配置调制技术对 t 型五电平单相变换器进行了仿真。在输出侧连接了 125-v、1-kva、0.8-lag pf、50-hz 的负载，并使用了 200 v 的直流母线电压。从结果可以确定，在腿 a 的正电压期间，完整的直流母线电压应力仅出现在 q2a 上，类似地，对于腿 b，在负输出期间，完整的直流母线电压应力仅出现在 q1b 上。下图显示了新型转换器的一条腿的输出和电压输出。
图 6：新型转换器的单脚输出和电压输出
不同五级拓扑的比较
在将新型 t 型拓扑与传统 t 型、npc、fc 和 chb 拓扑进行比较时，需要考虑各种因素，例如所需的组件、隔离电源和钳位二极管要求。主开关的数量几乎相等，但在少数拓扑中取消了钳位二极管和电容器。这种新颖的 t 型拓扑还专注于降低电压应力，并用有利的 sic 开关取代传统的 si 开关。因此，在减少应力和最小化开关数量的同时，可以增加相同损耗的开关频率，从而提高转换器的效率和可靠性。
图 7：不同五级拓扑之间的比较
结论
仿真结果表明这种 t 型拓扑在所需的允许范围内的适用性。它提供了诸如钳位开关数量减少和双向开关减少等优点。这些新颖的 t 型腿拓扑显示的开关电压应力小于传统的 t 型。使用这些独立的支路可以实现多相系统，并且可以在 h 桥单元的帮助下实现更高的电压电平。此外，还可以计算损耗并与传统拓扑进行比较，从而实现高效逆变器和 ac/dc/ac 转换器。因此，可以进行研究，以减少仍面临全电压应力的开关的电压影响。
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mlc 是一种从低压组件生成高压波形的技术。它使用需要中等功率的设备，适用于使用高功率的应用。mlc 具有多种优势，例如改善输出波形、减少谐波和降低开关损耗。在需要大量功率和中低电压范围的区域中，它们是最佳选择。mlc 可用于工业中的 ac/ac 应用，以在稳压器中提供具有单位功率因数的正弦波输入电流，并保护计算机、医疗仪器和通信装置等敏感设备免受劣质电源的影响。dc/ac mlc 用于天然气、石油、采矿和海洋工业。在可再生能源低功耗应用中，mlc 是解决效率问题的有效解决方案。
mlc 具有三种类型的拓扑：飞跨电容器(fc)、中点钳位 (npc) 和级联 h 桥。可以修改 npc 型拓扑以产生称为 t 型拓扑的转换器。虽然这种拓扑结构降低了传导损耗（npc 的一个缺点），但它仍然存在高开关损耗。随后，研究人员提出了一种五电平系统，只需修改三电平 t 型拓扑，即可最大限度地降低开关电压应力。它包含了 t 型的所有优点，包括即兴的波形和减少谐波。在进一步修改后，提出了一个专注于高开关损耗的系统：一个 t 型高效转换器，其中外部开关被 sic mosfet 取代。
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上图为典型的由三电平t型腿组成的单相逆变器。它总共包含八个功率器件（即s 1a –s 4a和s 1b –s 4b）和反并联二极管。该电路有两种可能的三电平支路配置：共发射极 (ce) 或共集电极 (cc)。使用这些，可以引入两个新颖的支路，使用外部的两个 sic mosfet 开关和两个较低额定值的 si mosfet 作为双向开关，如下所示。
图 2：（a）cc 配置和（b）ce 配置中的新型 t 型腿
在图 2a 中，通过在点“x”处连接 s 1a的端子、开关 s 2a的集电极端子和 s 3a的集电极端子形成一个修改的腿（leg a） 。该配置是双向开关的cc配置。以相同的方式，使用s 4a、开关s 2a的发射极端子和在点“y”处的s 3a的发射极端子形成另一个修改的腿(leg b) 。这种配置是双向开关的 ce 排列，如图 2b 所示。
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v ab = v a0 - v b0
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其中x = 1, 2 和y = a, b。
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