英飞凌：SiC MOSFET在三相四桥臂变流器中的应用优势

随着全球低碳化进程的推进，可再生能源发电的比例日益增加。然而，新能源发电的不稳定性问题也随之显现，储能系统的引入成为了抑制这一波动性的有效手段。其中，储能变流器（PCS）作为储能系统的核心部件，在工商业应用中发挥着重要作用。特别是在存在单相负载与三相不平衡负载的情况下，三相四线变流器拓扑成为了满足单相供电需求及抑制三相不平衡电压的理想选择。

常见的三相四线变流器拓扑

在三相四线变流器拓扑中，分裂电容式拓扑由于N线电流流过母线电容，导致电容容量需求增加，并且直流电压利用率较低，谐波畸变较大，抑制三相不平衡的能力有限。相比之下，平衡桥臂式拓扑通过硬件电路增强了中点平衡控制能力，对于处理不平衡负载具有更强的适应性。

三相四桥臂拓扑：增强的控制自由度

本文重点讨论的三相四桥臂拓扑，通过增加第四桥臂来提高控制自由度。这种拓扑结构可以采用3D-SVPWM调制或三次谐波注入的载波调制方法，将三相解耦为独立的单相控制，从而能够处理高达100%的不平衡电流。虽然其直流电压利用率得到了提升，但在谐波表现上依然不如三相三线拓扑。为了改善这一点，需要选择合适的功率器件与拓扑结构。

SiC MOSFET vs. Si IGBT：材料性能对比

SiC（碳化硅）材料相较于传统的Si（硅）材料，具有更高的电子漂移速率。SiC MOSFET因其单极性导电特性，不存在IGBT关断时的拖尾现象，因此其关断损耗（Eoff）相较于IGBT显著减小。此外，SiC二极管的反向恢复能量也很小，使得SiC MOSFET的开通损耗远低于Si IGBT。

由于IGBT的pnpn四层结构，其导通特性存在一个转折压降，而SiC MOSFET的输出特性曲线则类似于一条直线，在小电流区域内，SiC MOSFET具有更低的导通损耗。

 三相四桥臂变流器的谐波性能

在三相四桥臂变流器与三相三桥臂变流器的输出相电压电流波形对比中，可以看到三相四桥臂拓扑的电压台阶减少，谐波畸变更大。在相同的滤波器参数下，三相四线拓扑（3P4L）的输出电流THD（总谐波失真）较三相三线拓扑（3P3L）恶化了49.5%。因此，对于三相四桥臂变流器而言，如果采用IGBT方案，需要应用多重化拓扑或三电平拓扑，这将大大增加系统成本。而采用SiC MOSFET方案，由于开关频率的显著提升，即使使用两电平拓扑也可以满足系统谐波需求。

PLECS仿真验证

本文通过PLECS仿真软件，定量对比了三电平三相四桥臂IGBT方案与两电平三相四桥臂SiC MOSFET方案。在采用同等电流规格分立器件的情况下，SiC MOSFET方案在系统效率、电流谐波畸变、滤波器参数选择以及器件温升等方面都显示出了一定的优势。这进一步证明了在三相四桥臂拓扑中，SiC方案的价值所在。