使用高频 WBG 开关的电流源逆变器分析

几十年来，MOS功率器件一直是机器驱动器中电压源逆变器 (VSI) 和电流源逆变器 (CSI) 的普遍选择。然而，功率半导体技术的最新进展，特别是使用碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 的宽带隙 (WBG) 功率半导体的开发，已成为一种可行的替代方案。它们的开关速度比硅基同类产品更快，这使其成为高频 PWM 开关应用的有吸引力的选择。 

尽管有这些优点，但在 VSI 机器驱动器中使用 WBG 器件作为硅 IGBT 的直接替代品却带来了意想不到的挑战，包括电磁干扰 (EMI) 水平升高和机器端子过电压。因此，采用 WBG 功率半导体进行机器驱动是一个积极研究和开发的领域。

Ⅰ. 电压源逆变器与电流源逆变器

电压源逆变器 (VSI) 和电流源逆变器 (CSI) 是电力电子中使用的两种主要逆变器类型，根据应用的不同，每种逆变器都有自己的优点和缺点。以下是两者之间的主要设计和性能差异。

       图 1a：VSI 逆变器拓扑。               图 1b：CSI 逆变器拓扑。

 系统设计

为了实现系统所需的性能和输出，具有高频WBG器件的逆变器的设计是一个重要因素。

对于CSI，由一个简单的结构组成，包括一个开关器件和一个续流二极管。在这种情况下，电感器充当缓冲器来过滤和平滑接收到的输出。另一方面，VSI 具有更复杂的架构，由直流母线电容器、开关器件和续流二极管组成。然而，在这种情况下，直流母线电容器充当缓冲器以平滑输出电压。

当高频宽带隙器件出现时，电感器或电容器的使用和选择是实现效率最大化的关键因素。应选择电感值以提供足够的电感以确保输出电流平滑，而选择电容值以提供足够的电容以确保输出电压平滑。然而，随着开关频率的增加，电感值减小，电容器值增加。因此，VSI 可能需要更大的直流母线电容器才能实现所需的性能。

电磁干扰差异：

EMI 是机器驱动设计中的一个关键因素，特别是在需要电磁兼容性 (EMC) 的应用中。逆变器拓扑的选择会影响系统产生的 EMI 水平。由于电流源电感器的存在，与 VSI 相比，CSI 产生的 EMI 较小。电感起到滤波器的作用，抑制逆变器产生的高频谐波。然而，随着开关频率的增加，电感值会减小，CSI 产生的 EMI 也会增加。

另一方面，由于直流母线电容器的存在，与 CSI 相比，VSI 会产生更多的 EMI。电容器充当高频谐波源，它可以在系统中传播并影响其他电子设备。然而，随着开关频率的增加，由于开关器件上的电压应力降低，VSI 产生的 EMI 也会降低。

效率模拟：

效率是机器驱动设计中的一个重要参数，尤其是在需要能源效率的技术中。逆变器拓扑的选择会影响系统实现的效率水平。与 VSI 相比，CSI 具有更高的效率，特别是由于较低的开关损耗和电流源电感器的存在。电感器在开关器件导通状态期间存储能量，并在关断状态期间释放能量，从而降低开关损耗。然而，随着开关频率的增加，电感值减小，CSI的效率降低。

图 2：CSI 和 VSI 的效率比较。

另一方面，由于较高的开关损耗和直流母线电容器的存在，VSI 的效率相对较低。电容器在开关器件导通状态期间存储能量，并在关断状态期间释放能量，从而增加了开关损耗。然而，随着开关频率的增加，由于开关器件上的电压应力减小，VSI 的效率也随之增加。

二. 基于 GaN-HEMT WBG 器件的反向电压阻断开关

WBG器件具有高频开关的优点，提高了逆变器的效率和功率密度。然而，使用这些器件还需要实施反向电压阻断开关，以保护逆变器免受反向电压应力。这种反向电压阻断开关可防止电机产生的电压传播回逆变器并损坏开关器件。

CSI 与 VSI 的半导体开关需求：硅 MOS 门控电源开关在电机驱动行业从 CSI 向 VSI 的转变中发挥了至关重要的作用，因为它们能够双向传导电流并仅在正向阻断电压。这使得它们非常适合 VSI 应用，而 VSI 应用在当今电机驱动市场占据主导地位。然而，新型宽带隙器件的出现引发了关于哪种逆变器拓扑最适合其功能的问题。虽然 CSI 拓扑在 EMI、效率和过压等方面具有优势，但很少有商用功率半导体器件能够满足竞争性 CSI 的要求，因此正在研究替代方法。

反向电压阻断开关配置：研究人员在实验过程中评估了 CSI 的 GaN-HEMT 器件和反向电压阻断 (RVB) 开关的适用性。建议的四种 RVB 开关拓扑包括串联二极管布置、栅极缩短设计、双源连接 GaN-HEMT 布置和共漏极布置。尽管易于使用，但串联二极管配置具有较大的传导损耗。双源连接配置适用于双向开关，避免了栅极缩短设计的电压损失和振荡问题。单片RVB器件可以采用共漏极布置制成，这种布置具有降低的导通电阻和更好的反向电压阻断能力。

仿真和结果：选择共源配置进行实验测试，使用带有 GaN-HEMT RVB 开关的 PCB。设计过程中使用ANSYS Q3D和LTSpice进行仿真，识别寄生元件的等效电路如图3所示。测试了反向电压阻断能力，以及正向和反向电压阻断的开关性能发现条件是对称的。仿真结果与实验结果准确匹配，确保了未来设计仿真的有效性。

             图 3a：用于模拟的测试电路。图 3b：反向电压阻断 (RVB) 开关测试电路波形。

三．结论

进行了一项实验来分析高频 WBG 器件在 CSI 和 VSI 逆变器拓扑中的使用。据观察，两种逆变器拓扑之间的最佳选择取决于应用要求和 EMI 和反向电压阻断能力等因素。此外，WBG 器件的使用需要包含反向电压阻断开关，该开关可以使用共源共栅或肖特基二极管配置来实现。

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总体而言，高频宽带隙器件的使用为提高机器驱动性能提供了一个有希望的机会，并且需要进一步研究来优化特定应用的逆变器设计。