【技术】三电平SI IGBT和两电平SiC模块联手实现高效整流逆变
尽管IGBT不断提升的工艺使导通压降不断降低，但是它的拖尾电流还是会带来很高的开关损耗，工程师一直在寻找一种器件，一种开关损耗低，发热量小，承受电压高的器件。部分资深工程师发现在一个桥臂上放4个IGBT器件，通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合，可以实现多电平阶梯波输出电压，这样做带来好处有：
1） 可以使波形更接近正弦波，减少谐波
2） 开关电压应力比两电平减小一半；
3） 在同样的功率输出时，三电平输出的开关频率降低，降低了系统开关损耗。
Si基三电平方案
上述方法即三电平方案，目前主流的三电平拓扑是T型三电平如图2所示和I型三电平如图1所示，以VINCOTECH的三电平模块为例：
图1：I型三电平拓扑
图2：T型三电平拓扑
图3：三电平的门极驱动信号
图4：三电平的输出电压信号
这种三电平IGBT组成的桥臂控制波形如图3所示，但是可以减少开关损耗，使最终的输出波形更近接近正弦波，如图4所示，但是使用三电平这种拓扑后，多种组合的控制方式会比较复杂。
SiC二电平方案
对于新兴的SIC宽禁带的材料来说，WOLFSPEED(原Cree公司)SIC肖特基二极管已经在一些快速切换的应用场合取得了成功，比如PFC boost中应用。SiC二极管卓越的反向恢复零延时关断特性可以在增加开关频率的同时，不增加损耗从而提高效率。另一方面，开关频率的提升，可以减小磁性元件的体积，这样就可以降低整个系统的成本，减小整个系统的体积，如图5所示SiC MOSFET的的开关损耗波形明显在交叉开关时比SI管要小很多，如图6所示为SI管的波形。
图5：SiC MOSFET的开关电压波形
图6：Si的H3 IGBT开关波形
Si基三电平方案VS SiC二电平方案
测试条件：
1）外部门极电阻为Rg=2ohm；
2）输入端的母线电压为450Vdc，输出电压为640Vdc，满载为10kw；
3） 在室温条件下没有风扇水冷；
4）SIC MOSFET的Vgs=18V开启，-2V关断，Si的IGBT的Vgs=15V开启,-2V关断；
5）SIC MOSFET用100khz的开关频率，SI的IGBT用20khz的开关频率
可以清楚看到SIC的MOSFET的关断损耗较小很多，通过计算实际可以得出为83.2uJ，而Si的IGBT关断损耗为911uJ。
图7：Si PN节和SIC的开启的波形细节对比
SiC的优势这么多，但是要如果需要有较高的电压和电流等级的场合，相对SI管成本也会增加不少，而三电平SI管IGBT具有较大的电压和电流等级，较低成本，在这些应用上就有一个较好的弥补，如图7所示的SI和SIC的开关细节对比。
图8：boost升压和三电平逆变
如上面分析，三电平SI的IGBT单管能力跟SIC在效率和损耗都要大，但是整合成一个4管的半桥后，减少了电压应力，另外，三电平能显著的减少开关损耗和滤波电感的损耗，在开关频率大于10KHZ以上，三电平的效率比两电平更有优势，而对于SIC二极管因为拖尾电流小，反向恢复时间短，单管的开关损耗就可以降到很低，另外，通过提高开关频率可以减少磁性器件的损耗，缩小磁性器件的体积。通常在高效整流逆变场合，如图8所示，是将SiC和三电平IGBT配合使用，将SIC的MOSFET用于前端的PFC电流中，三电平IGBT可以用于逆变中，这样更能提高整个系统的效率。
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