SiC MOSFET實現高頻大功率變換——固態變壓器應用案例剖析

在傳統的配電網結構中，工頻變壓器是實現電能分配和電壓等級變換的主要電氣設備。工頻變壓器的主要組成部件為鐵芯和繞組，常采用油浸式或者干式，具有可靠性高，效率高，成本低廉等優點。但是隨著新能源的發展，智能電網概念的大范圍推廣，傳統變壓器的缺點也逐漸顯現。除了變壓器本身笨重，絕緣油對環境造成污染之外，傳統變壓器在電網發生故障或者需要支撐的情況下，不能提供合適的功能支持，只能增加額外的配電設備來實現電網的正常運行。

隨著電力電子技術和半導體的發展，固態變壓器（Solid-state transformer,SST）的應用發展日趨成熟。固態變壓器也稱為電力電子變壓器（Power Electronic Transformer,PET），通過電力電子技術實現傳統變壓器的功能。除了基本的電氣隔離和電壓轉換的功能，固態變壓器還可以實現無功補償、功率調節與控制以及多端口接入等功能。

固態變壓器使用高頻變壓器實現隔離功能，可以大幅度減小變壓器的重量和體積。由于電力電子器件可以實現高度的可控性，因此可以在提高電網供電質量的同時減少對電網的諧波污染。靈活的拓撲方式還為固態變壓器提供了交流和直流的接口，便于不同應用的并網連接。安全可靠的通信連接也為固態變壓器對于配電網或者微網的協調控制提供了保障。特別是隨著可再生能源，儲能和電動汽車的迅猛發展，部分區域或者工業園區的微網連接為固態變壓器的發展提供了更加強烈的需求。

除了配電網微網的應用，固態變壓器也可以用在機車牽引的場合，提供更加靈活可靠的能源變換。

關鍵應用及基本架構

以目前常見的光儲充一體的10kV直掛低壓配電網為例，其基本的架構如圖1所示。

圖1：10kV固態變壓器直掛光儲充微網架構

其中，固態變壓器內部常見的架構為級聯H橋，如圖2所示。目前常見的功率器件電壓等級偏低，少量高壓的IGBT器件由于損耗大，開關頻率低等問題，不適合應用于固態變壓器的應用場合。因此通過級聯的方式，可以減少每個單元的AC輸入電壓，使用1200V的功率器件實現10kV的電網交流輸入。常見的固態變壓器功率等級為1MW或更高，通常采用30~60kW的子模塊級聯得到。

除此之外，模塊化多電平（modular multilevel converter,MMC）也是可行的方案，但是存在分布電容數量多，電容電壓平衡復雜等問題。

圖2：級聯H橋拓撲結構

在級聯H橋拓撲結構中，ACDC變換器需要實現PFC功能，兩電平的全橋拓撲、Buck/boost電路以及整流橋都比較常見，而母線電壓較高時常采用三電平NPC。目前英飛凌有2kV的SiC MOSFET產品，也可以在高母線電壓的情況下使用兩電平結構，簡化電路拓撲和控制，如圖3所示。

a.I型三電平ACDC變換器拓撲

b.兩電平ACDC變換器拓撲

圖3：固態變壓器中高直流母線ACDC變換器拓撲

對于變壓器原副邊的隔離DCDC變換器，常常采用LLC/CLLC或者DAB的拓撲（圖4）。其中，LLC和CLLC的諧振拓撲由于可以實現功率開關管的ZVS，減小開關損耗，因此開關頻率得到進一步提升，對于高頻變壓器以及其他無源器件的容量和體積減小起到進一步的推動作用。對于雙向的固態變壓器，副邊采用MOSFET實現主動變換，在整流的工況下采用同步整流的方式進一步減小損耗。對于單向的固態變壓器，副邊可以采用二極管整流橋實現整流，進一步降低成本。

a. 副邊二極管拓撲的單向LLC

b. 副邊MOSFET拓撲的雙向CLLC

c. 副邊二極管拓撲的單向DAB

圖4：固態變壓器中隔離DCDC變換器拓撲

SiC器件在固態變壓器挑戰及機遇

由于本身功率大，以及多級的變換器架構帶來更多的損耗，固態變壓器的效率是其應用的重點。相較于傳統的Si器件，采用SiC，GaN等寬禁帶器件可以降低開關損耗和導通損耗，進一步提升系統的開關頻率，優化系統的性能表現。更高的開關頻率會帶來更小的電壓電流波動，因此可以減小變壓器、電容等無源器件的體積，實現更高的功率密度。

本文以60kW的SST子單元DCDC變換器為例進行評估。子單元功率為60kW，輸入電壓為1500VDC，輸出電壓為800VDC。在10kV電網電壓的SST系統中，每相由8個SST子單元級聯而成，三相的整體功率為1.5MW。圖5給出了功率為1500V母線電壓系統分別使用1200V IGBT和1200V SiC MOSFET的解決方案和效率對比。評估過程選用英飛凌最新的IGBT7系列的快速開關管IKY50N120CH7和電流等級接近的CoolSiC IMZA120R014M1H進行對比。在相同的電路條件下，開關頻率為諧振頻率的工況下，SiC MOSFET可以帶來更低的損耗和更高的結溫。此時器件的開關損耗小，如果開關頻率偏移諧振頻率，功率器件的關斷損耗占比更大，SiC MOSFET的優勢也更加明顯。因此，使用SiC MOSFET，可以進一步提升變換器的開關頻率，從而減小無源器件的體積，提高系統的功率密度。

a. 1200V IGBT/SiC MOSFET電路拓撲和仿真條件

b. 1200V器件仿真波形

c. 1200V IGBT/SiC MOSFET仿真結果對比

圖5：1500V 母線系統IGBT和SiC MOSFET解決方案對比

同時，對于固態斷路器而言，更高耐壓的功率器件可以大幅度降低固態變壓器中級聯單元的數量，從而提高功率密度，降低控制的復雜度。

為了減小級聯數量，需要提升每個單元的電壓等級，比如將電網電壓整流后的DC母線電壓從800V提升為1500V。由于母線電壓提高，對于隔離的DCDC變換器提出了更高的要求。為了滿足1500V的母線系統，可以采用器件串聯的方式，多電平的拓撲或者使用更高電壓的功率器件。綜合考慮執行難度和性價比，更高耐壓的功率器件是實現高母線電壓，減小級聯數量的最有方式。

采用Infineon最新的2kV SiC MOSFET產品可以簡化電路拓撲，優化電路結構，減少配套電路的數量，降低控制的復雜度。圖66所示，是母線電壓1500V的DCDC變換器使用1200V SiC MOSFET和2kV SiC MOSFET的半橋解決方案。

a. 1200V SiC MOSFET解決方案

b. 2kV SiC MOSFET解決方案

圖6：1500V系統的不同器件解決方案對比

使用2kV SiC MOSFET替代1200V SiC MOSFET，以60kW的子單元系統為例，SST系統中DCDC變換器原邊的SiC器件數量從96個減小為48個，為之前的一半。級聯H橋拓撲中，功率開關器件數量多，對于固態變壓器整體的體積和重量都產生了一定的負擔。更高耐壓的器件帶來更少的器件數目，為整體的布局優化和功率密度的提升提供了可能。雖然對于單個器件而言，2kV的SiC MOSFET損耗可能偏高，但是由于簡化的電路結構，更少的器件數量，整個系統的損耗、成本、體積等都會得到改善。

相較于傳統的工頻變壓器，固態變壓器解決了體積和重量的問題，同時還可以實現電網質量改善、系統穩定性提高，具有靈活適應性強等多種優勢。寬禁帶器件的應用，可以進一步提升固態變壓器的性能和功率密度，在減小器件數量的同時還可以優化控制邏輯，降低損耗和結溫。寬禁帶器件會成為未來固態變壓器應用的主流器件。