基于SiC MOSFET的高功率密度空調三相PWM整流器

劉 翔

（深圳慧能泰半導體科技有限公司 深圳 518052）

引言

作為滿足法規要求的諧波電流抑制和功率因數校正解決方案三相PWM整流器如圖1中所示，在工業上、暖通行業內廣泛用于用無源濾波器或并聯有源電力濾波器取代通用二極管橋式整流器[1-4]。作為整流器或前端變流器，三相PWM整流器提供恒定的直流母線電壓，VFD型負載可以利用該電壓，而無需額外的算法來對直流母線電壓上的紋波作出反應，并增加基波電壓的幅值。從電網側來看，在一定的負載條件下，可以將功率因數控制在1左右，并且可以抑制輸入交流電流的THDi[5,6]。

圖1 三相PWM整流器拓撲

隨著寬禁帶第三代半導體的發展，例如主要用于應用的氮化鎵（GaN）需要600 V/650 V以下的反向阻斷電壓，以及1 200 V以上反向阻斷電壓的碳化硅（SiC）[7]。與傳統的硅基IGBT模塊相比，使用SiC基MOSFET可以減少反向恢復損耗、死區時間和傳導損耗，從而降低功率模塊的功率損耗。因此，這些PWM整流器的效率可以達到非常高的水平。在之前的研究中[8-13]，功率器件基于單片SiC MOSFET或半橋SiC模塊。因此，需要復雜的集成過程來實現高功率密度，尤其是包括控制板和板上的電感器，并在功率密度和輸入交流電流THDi性能之間進行權衡。

本文提出了在基于SiC MOSFET IPM（智能功率模塊）的設計和實驗研究，應用于8 kW三相PWM整流器。在380 Vac（-15 ～ 10）%交流輸入條件下，與采用IGBT IPM方案實現的方案進行了詳細的比較，充分體現了其成本、性能、體積的綜合優勢。

1 三相 PWM整流器的設計

三相PWM整流器的電網電壓，直流母線電壓將由電網輸入電壓的均方根值、功率設備的額定電流死區時間和PWM調制方法確定。一般來說，直流母線電壓將設置為（650 ～ 700）Vdc，以滿足系統需求并考慮整體效率，如表1所示。

表1 8 kW三相PWM整流器設計規格

除這些基本系統條件外，根據有關額定輸入電流的規定，正弦輸入電流在全球市場上的均方根值小于16 A，應滿足IEC 61000-3-2標準規定，而中國大陸應滿足GB/T14549-93標準。在工業應用中，在一定負載條件下，每相電流總THDi通常應小于5 %。此外，作為功率因數校正器的整體解決方案，PWM整流器基本的控制邏輯將使電源行為應在特定負載條件下將功率因數校正到高于0.99。

基于表2的SiC-MOSFET IPM解決方案和IGBT IPM解決方案的系統配置都可以滿足前面討論的要求。SiC IPM解決方案和IGBT IPM解決方案的本質區別在于開關頻率。寬禁帶半導體器件SiC MOSFET與硅半導體的IGBT器件相比，其開關損耗和傳導損耗低得多，因此可以設計用于高開關頻率應用。因此，IGBT IPM解決方案，考慮成本和性能之間的平衡開關頻率設計為16 kHz。對于全SiC MOSFET IPM解決方案，它可以利用其高開關頻率來改善PWM整流器的特性。

2 SiC-MOSFET IPM帶來的性能提升

SiC MOSFET IPM解決方案和IGBT IPM解決方案的配置如表2所示，可見SiC IPM解決方案的開關頻率是IGBT IPM解決方案的兩倍，因此，可以選擇體積較小的無源元件，尤其是SiC IPM解決方案中的電感。然而，即使具有更高的開關頻率，SiC器件的開關特性仍比IGBT具有更好的性能。與IGBT IPM解決方案相比，SiC IPM解決方案的散熱器可以很好地設計為具有小散熱器，從而大大降低了開關損耗和傳導損耗。三相PWM整流器的原型如圖2所示。

圖2 本文所提出的基于SiCMOSFETIPM的三相PWM整流器原型機

表2 三相PWM整流器解決方案配置對比

2.1 功率模塊

基本上，全SiC MOSFET IPM在直流特性和交流特性上，其性能優于傳統的硅IGBT智能功率模塊。在直流特性如Vds（on）/Vce（sat），SiC MOSFET IPM在導通電流高至25 A時仍顯示出比基于硅基的 IGBT IPM更好的性能，如圖3所示。如圖4所示，在開關損耗（ESW）等交流特性的情況下SiC MOSFET IPM顯示出比Si IGBT IPM更好的性能。特別是，SiC MOSFET IPM的25 ℃和150 ℃之間的ESW差異幾乎相同。然而，Si IGBT IPM在TC=150 ℃時的ESW比TC=25 ℃時的ESW高60 %。因此，SiC MOSFET IPM的這些優越特性可以在更高的開關頻率條件下提高效率。

圖3 IPM直流特性對比

圖4 IPM交流特性對比

表3是給定條件下基于兩個器件特性的功率損耗仿真結果。其中，VDC=600 V，VDD=15 V，FSW=16/36 kHz，SVPWM，MI=0.8，PF=0.9，TC=100 ℃基于仿真結果，SiC MOSFET IPM在FSW=16 kHz時的功率損耗比Si IGBT IPM小60 %，在FSW=36 kHz時的功率損耗比Si IGBT IPM小70 %。此外，由于SiC MOSFET具有更高電流密度的優越特性，SiC MOSFET IPM能夠實現比傳統35 A Si IGBT IPM小64 %的封裝尺寸。

表3 IPM功率損耗仿真對比

2.2 實驗結果

三相PWM整流器通過連接到直流母線電壓輸出端子的恒流負載進行測試。從功率分析儀讀取的實驗結果如圖5、6所示，效率曲線如圖7所示，以及電網各相諧波電流如圖8所示。在極大的滿足電流諧波抑制需求的條件下，相比之下SiC MOSFET IPM解決方案由于其較低的開關損耗和導通損耗而被證明是更有效的整體解決方案。如圖7所示的實驗結果表明，在380 Vac的正常電網電壓下，SiC IPM解決方案的效率將提高2.5 %，總解決方案的損耗約為200 W。對于IGBT IPM解決方案，在6 kW時效率繼續下降到94 %，而在相同情況下，當輸入電流增加時，SiC IPM的導通損耗略有增加，但SiC IPM解決方案的效率仍為97 %。

圖5 三相PWM整流器運行基本參數

圖6 三相PWM整流器運行波形：CH1/CH2/CH3，網側電流；CH4，母線紋波電壓

圖7 三相整流器效率對比

圖8 基于SiC MOSFET IPM的三相PWM整流器電網諧波電流

2.3 整體尺寸與功率密度

考慮PCB板（包括浪涌繼電器/電阻器、功率直流母線電容器、輔助電源和功率模塊等相同功能）、電感器和散熱器的IGBT IPM解決方案和SiC IPM解決方案的總體體積。因此，表4中包含了各部分的筏體積比較。在采用SiC IPM的常見配置下，功率密度比IGBT IPM解決方案提高了約2.773倍，三相PWM整流器的總體積減少了64 %。

表4 兩種諧波解決方案的體積與功率密度對比

4 結束語

在電流諧波抑制標準日益嚴苛的當下，基于SiC MOSFET IPM第三代半導體器件的三相PWM整流器解決方案具有諸多良好特性，使得空調整機在極大滿足諧波電流THDi抑制要求的前提下，升整流器的綜合效率、降低整流器裝置的體積并提升了整機的功率密度，該方案節能環保，具有較大的發展前景。