【经验】两电平SiC MOSFET PFC对比传统硅半导体三电平Vienna PFC，提供更高效率、功率密度和更低成本

时间： 2019-03-31 来源：Wolfspeed

技术问答

随着新能源技术的不断发展，新能源的应用领域也不断扩张，能够想象到的很多应用场景里都会有双向三相AC/DC转换器的身影，比如：太阳能到储能系统再与电网连接削峰填谷；太阳能、储能系统、风能和柴油发电独立组网；储能充电站与电网连接大功率电动汽车充电；电动汽车与电网之间双向充放电。图1展示了新能源汽车与电网连接示意图。这些应用领域对效率非常敏感，同时希望能够实现电能的双向流动。

图1 新能源汽车与电网连接示意图

在现有的功率半导体技术和AC/DC电路拓扑结构下，主动前端整流或者主动PFC在性能和成本上的优化空间有限。面对新应用，传统功率半导体技术遇到瓶颈，因此我们采用新型半导体器件SiC MOSFET，应用简单的两电平六开关拓扑结构，设计一款满足表1技术要求的双向PFC，在成本、性能等各方面本文将与仅能够单向应用的传统硅半导体三电平六开关Vienna拓扑PFC进行对比。图2是两电平SiC MOSFET拓扑和三电平六开关Vienna拓扑。

表1 PFC技术要求

图2 两电平SiC MOSFET拓扑（上）和三电平六开关Vienna拓扑（下）

本文设计中，半导体器件选择WOLFSPEED 推出的1000 V/65 mΩ SiC MOSFET C3M0065100K，这款SiC MOSFET具有非常低的开关损耗，采用源极Kelvin连接的四引脚TO-247封装，自身的体二极管可替代外部SiC二极管，降低成本，支持800V直流母线电压。

在电网电压380V、直流母线电压800V，输出功率20KW，假设结温110°C的条件下，我们能够估算出不同开关频率下两电平SiC MOSFET PFC的MOSFET（含体二极管）的功率损耗。图3为两电平SiC MOSFET PFC的MOSFET功率损耗与开关频率相关曲线。

图3 两电平SiC MOSFET PFC的MOSFET功率损耗与开关频率相关曲线

对于原型机设计，选择48 kHz的开关频率、大约20％的电感器电流纹波（电网电压380V）、400μH的升压电感。 48 kHz开关频率的三次谐波低于EMI测试的150 kHz频段，能够降低EMI滤波部分成本和体积。图4 为原型机硬件实物图

图4 原型机硬件实物图

针对不同的开关频率，我们进行了实物测试。图5为电网电压480V直流母线电压800V输出功率20KW下开关频率为48KHz和60KHz时A相电压和电流波形.图6为效率和THDi与输出功率相关曲线。

图5 开关频率为48KHz和60KHz时A相电压和电流波形

图6 效率和THDi与输出功率相关曲线

经测试此PFC在480V60Hz输入、800V输出、48KHz的开关频率，满负荷输出的情况下，效率98.4%，THDi 2.39%，同样条件380V输入，效率98.2%，THDi 1.65%。

下面我们与传统硅半导体三电平六开关Vienna拓扑PFC对比

整体上，两电平六开关SiC MOSFET PFC与传统硅半导体三电平六开关Vienna PFC相比，功率密度更高，效率更高，电路拓扑简单，半导体器件数量少，导致装配成本低，可靠性高，而且两电平六开关SiC MOSFET PFC能够双向应用，三电平Vienna PFC仅能单向应用。

事实证明1000 V SiC MOSFET C3M0065100K应用在简单的两电平，六开关三相PFC拓扑中，实现了性能和成本的改进，突破了传统半导体技术的局限，并具有双向功能。

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