摘要：
SiCMOSFET工作频率高，温度稳定性好，应用于三电平Buck变换器中可以减小系统损耗，提高系统效率，但SiCMOSFET的高频特性会使其开关过程中的电压尖峰更为严重。针对该问题，分析了三电平Buck电路SiCMOSFET开关过程及瞬态电压尖峰产生机理；在传统的充放电型RCD吸收电路的基础上加以优化改进，设计了一种低损耗型RCD吸收电路作为电压尖峰抑制方法。首先，对充放电型RCD吸收电路和改进后的低损耗型RCD吸收电路的工作原理及损耗进行对比分析；其次，搭建了三电平Buck变换器实验装置，对吸收电容和电阻进行参数设计；最后，通过实验验证了低损耗型RCD吸收电路的有效性、参数设计的合理性；结合理论分析和实验结果表明，相比于带充放电型RCD吸收电路，带低损耗型RCD吸收电路的三电平Buck变换器具有更低的损耗。
随着高电压输入、大功率输出的应用场合越来越多，在功率器件的耐压等级和载流能力没有很大突破的情况下，两电平直流变换器难以满足高压大功率电能变换的需求。提出的非隔离型三电平Buck变换器，如图1所示，与两电平Buck变换器相比，其开关管电压应力为直流母线电压的1/2，具有高频特性良好、滤波电感电容小等优势，应用于电动汽车、有轨电车动力储能充电系统中可以提高系统动态响应、减少系统体积及重量。
变流器开关频率的提升不仅可以使功率密度得到乘数倍效应的增加，同时可以大大减小变流器中的主电路元件电感、电容体积。相比于SiMOSFET，SiCMOSFET具有耐压水平高、温度稳定性好、工作频率高等特性，因此，将SiCMOSFET引入三电平Buck变换器中，提高开关频率和系统效率的同时，还减小了系统的体积和损耗，但SiCMOSFET极间寄生电容很小，开关速度快，导致其对杂散参数非常敏感，在开关过程中会产生很大的di/dt和dv/dt，同时，SiCMOSFET作为单极型器件在关断过程中不具有拖尾电流效应，因此在开关过程中极易产生较大的瞬时电压尖峰，在高频高压电路中可能击穿SiCMOSFET，对变换器的安全运行造成威胁，增加系统损耗，加剧变换器的电磁干扰。
为抑制此电压尖峰的产生，在充放电型RCD吸收电路的基础上，在每个电容放电的回路上加一个快恢复二极管，在MOSFET两端并联压敏电阻，可以提高缓冲电路过电压吸收能力；分析了吸收电容对关断过电压的影响，根据SiCMOSFET自身特性提出了吸收电路的选型方法并验证了其可行性；分析了寄生参数与电压尖峰之间的关系，提出了“减缓开关速度”和“降低输出端寄生电感”两种从源头抑制输出电压尖峰的方法。
本文针对高频工作状态下基于三电平Buck变换器的SiCMOSFET开关过程电压尖峰问题，首先将SiCMOSFET引入到三电平Buck变换器中，分析其开关过程，揭示了电压尖峰的产生机理是由开关瞬间变化的电流在寄生电感和线路杂散电感上感应生成；通过仿真分析了不同线路杂散电感对电压尖峰的影响；分析了“减小线路杂散电感”和“并联充放电型RCD吸收电路”两种方法的合理性，并在充放电型RCD吸收电路的基础上加以优化改进，设计了一种低损耗型RCD吸收电路，与充放电型RCD电路相比，可以省去开关管开通时吸收电容放电的过程，减小了损耗；最后，搭建了三电平Buck变换器实验装置，结合理论与实验对吸收电容和电阻进行了参数设计，并通过实验验证了本文优化改进的低损耗型RCD吸收电路的有效性、参数设计的合理性。
1、三电平Buck变换器开关过程建模
图2为考虑杂散电感影响的三电平Buck变换器拓扑结构。其中虚线框内是SiCMOSFET带封装的等效模型，CDS1、CGD1、CGS1为开关管Q1的极间寄生电容，CDS2、CGD2、CGS2为开关管Q2的极间寄生电容。Cj3、Cj4为二极管D3、D4的结电容，可以等效为滤波电容。LD1、LD2、LD3、LD4、LS1、LS2、LS3、LS4、LCf1、LCf2为电路中的等效杂散电感。uds1、uds2分别为开关管Q1、Q2的漏源极电压，ugs1、ugs2分别为开关管Q1、Q2的栅源极电压，id1、id2分别为开关管Q1、Q2的漏极电流，iD3、iD4分别为流过LD3、LD4的电流，在此分析中不考虑驱动回路对开关过程的影响。
在三电平Buck变换器工作模式中，分为占空比D<0.5与D>0.5两种情况。本文以D>0.5的运行工况为例，建立SiCMOSFET开关瞬态过程数学模型，分析在一个周期中相关变量的波动情况，其波形如图3所示。假定飞跨电容两端电压恒为UDC/2。在一个工作周期内，Q1、Q2的导通关断情况分为以下3种模态：
①模态I：Q1导通，Q2关断，输出电压Uout=UDC/2；
②模态II：Q1、Q2导通，输出电压Uout=UDC；
③模态III：Q2导通，Q1关断，输出电压Uout=UDC/2。
1.1、模态Ⅰ过程的数学模型
在模态I过程中，Q1导通过程与Q2关断过程分为以下4个阶段。
1.2、模态Ⅱ过程的数学模型
在此模态下Q2做导通动作，Q1保持导通状态，不做任何动作，因此Q1的相关参数保持不变。该模态分为以下5个阶段。
1.3、模态Ⅲ过程的数学模型
在此模态下Q1做关断动作，Q2保持导通状态，不进行任何动作，故Q2中相关参数保持不变。该模态分为以下几个阶段。
通过对三电平Buck变换器（D>0.5）3种模态下SiCMOSFET开关过程数学模型分析可知：在SiCMOSFET导通过程中，栅极电压ugs超过阈值电压Vth后，ids上升速率过快，导致在MOSFET源极寄生电感中产生电压，该电压与驱动电压的混合作用使得ugs超过米勒平台，漏极电流产生振荡。当ugs回到米勒平台电压后，uds、ugd快速下降，米勒电容电流快速增大，栅极电容电荷流失导致ugs、ids快速下降。若ids低于电感电流iL时，因iL发生突变，米勒电容反向给栅极电容Cgs充电，ugs、igs开始上升，两个过程反复进行，导致了导通过程中的米勒平台振荡。
SiCMOSFET关断过程中，漏极电压uds开始上升，通过米勒电容给栅极电容供电，栅极电压ugs下降速度减缓。当uds上升过快，则会导致ugs出现过充。随着ugs电压升高，漏极电流随之增大。若ids高于电感电流iL，由于iL不能突变，栅极电容CGS电荷流失，ugs电压下降，由此形成关断过程中的米勒平台栅极电压振荡。
2、电压尖峰抑制方法
通过以上分析可知，产生电压尖峰的本质原因是开关瞬间变化的电流在寄生电感和线路杂散电感上感应生成瞬时电压尖峰，增加了电路运行的危险性，而且会恶化电力电子变换器的电磁兼容性，严重时可能导致MOSFET过电压击穿。寄生电感和线路杂散电感主要对SiCMOSFET关断过程瞬时电压尖峰的影响较大，且SiCMOSFET在关断过程中不具有拖尾电流效应，因此SiCMOSFET关断过程电压尖峰远大于开通过程电压尖峰，所以本文主要研究SiCMOSFET关断过程的电压尖峰抑制，提出了以下3种方法。
2.1、减小线路杂散电感
利用仿真软件对图2所示的考虑寄生参数的三电平Buck变换器建立仿真模型，以开关管Q1为例，改变LD1值，通过对不同线路杂散电感参数下的三电平Buck变换器拓扑结构开关管Q1关断瞬间进行仿真，仿真波形如图4所示。由图可知：三电平Buck变换器拓扑结构中存在的杂散电感参数越大，MOSFET关断瞬间电压尖峰越高，导致器件承受的额外电气应力随之增大。因此减小三电平Buck变换器拓扑结构中的杂散电感可有效降低MOSFET关断过程的电压尖峰。
三电平Buck变换器线路杂散电感多由不合理的母排设计、不科学的电气走线、不规范的器件连接产生，因此可通过规避上述现象可有效减少主电路杂散电感的产生。
2.2、充放电型RCD吸收电路
RCD吸收电路是基于流过电感电流及电容两端电压不能突变这一特性进行设计的，在开关管两端并联一条容性支路，在开关管突然关断时，流过杂散电感的电流流经RCD支路，杂散电感中的能量全部转移到吸收电容中，避免了过大的di/dt在开关管两端产生很高的电压尖峰；在开关管导通时，吸收电容中储存的能量经过吸收电阻释放，为下一次的缓冲吸收做准备。
图5为考虑电路寄生参数的情况下含充放电型RCD吸收电路的三电平Buck拓扑结构，其中Ceq1、Ceq2为开关管Q1、Q2的等效寄生电容。在此分析中不考虑驱动回路对开关过程的影响。
在开关管Q1关断瞬间，流经LD1的电流将迅速减小到0，产生很大的di/dt，加了RCD缓冲电路之后，LD1给开关管Q1的等效寄生电容Ceq1充电，同时通过二极管Ds1给Cs1充电，此时电感LD1上的能量转移到吸收电容Cs1上。开关管Q1开通瞬间，Cs1通过Cs1→RS1→Q1形成的闭合回路放电，电流方向如图6所示；Ceq1通过Ceq1→Q1形成的闭合回路放电，此时吸收电容上的能量通过吸收电阻释放。
2.3、低损耗型RCD吸收电路
充放电型RCD吸收电路对电压尖峰有一定的抑制作用，但会增加系统的能量损耗，为改善这一缺陷，本文在充放电型RCD电路的基础上加以优化改进，设计了一种低损耗型RCD吸收电路，如图7所示。其特点在于并联在开关管Q1两端的吸收电容Cs1通过吸收电阻Rs1并联在直流电源两端，并联在开关管Q2两端的吸收电容Cs2通过吸收电阻Rs2并联在飞跨电容Cf两端。
只考虑开关管Q1、Q2关断瞬时过程，共有以下2种模态。
2.4、两种RCD吸收电路损耗对比分析
对充放电型RCD吸收电路和低损耗型RCD吸收电路进行损耗对比分析，吸收电容和吸收电阻上的电压变化波形如图12所示。
一个开关周期内充放电型RCD吸收电路的损耗即为吸收电阻Rs1耗散的能量W1和Rs2耗散的能量W2，计算公式分别为
一个开关周期内低损耗型RCD吸收电路的损耗即为吸收电阻Rs1耗散的能量W'1和Rs2耗散的能量W'2，计算公式分别为
通过式（15）~式（18）和图12可以看出，本文设计的低损耗型RCD吸收电路与充放电型RCD吸收电路相比，可以省去开关管开通时吸收电容放电过程，损耗更低，因此，相同条件下相比于带充放电型RCD吸收电路，带低损耗型RCD吸收电路的三电平Buck变换器损耗更低。
3、参数计算
3.1、吸收电容
吸收电容的作用是吸收MOSFET开关管开通关断过程中电路杂散电感中的能量，因此要确定吸收电容的大小，需要先确定主电路杂散电感的大小。在计算LD1时，首先在未加吸收电路时用示波器观察Q1开关管关断时的一个振荡周期，记为T1；然后给Q1开关管并联一个电容C0，再次观察其关断时的一个振荡周期，记为T2，则LD1的估算公式为
3.2、吸收电阻
吸收电阻Rs主要用于吸收电容Cs的放电，必须满足电容峰值电压在SiCMOSFET额定电流ITN下放电的极端情况，即
同时，Rs必须满足吸收电容在SiCMOSFET最小占空比所对应的开通时间内放电完毕，即
式中：Dmin为SiCMOSFET最小占空比；fs为SiCMOSFET的开关频率。认为电容器经过5倍时间常数后放电完毕。
4、实验验证
为了验证低损耗型RCD吸收电路相较于未加吸收电路及加充放电型RCD吸收电路对三电平Buck变换器SiCMOSFET开关过程中产生的电压尖峰的抑制效果，搭建实物装置进行了对比实验。选取工作频率为50kHz，直流电源为1000V，飞跨电容型号为TDK电容B25620B1427A101，滤波电感为51μH，SiCMOSFET开关管型号为CREE公司CAS300M17BM2。实验装置如图13所示。
为确定吸收电容及电阻参数，首先进行不加RCD吸收电路实验，图14为未加RCD吸收电路的开关管Q1电压波形，用示波器测量到未加吸收电路时Q1关断时的一个振荡周期T1为1.05μs；给Q1并联容值为0.01μF的电容C0，测量到其关断时的一个振荡周期T2为1.2μs，同时读出未加RCD吸收电路的开关管Q1电压尖峰峰值Upeak1为1040V，其完全关断时承受电压均值为498V，超调量为108.8%。根据式（19）~式（23）计算得到LD1的估值为0.868μH，吸收电容Cs1为0.2μF。用同样方法测量计算得到吸收电容Cs2为0.2μF。因此本实验的吸收电容Cs1、Cs2选择容值为0.22μF的CDE电容。
根据式（25）~式（26）计算吸收电阻的范围，本实验选取的SiCMOSFET开关管额定电压为1700V，额定电流为325A，开关频率fs为50kHz，考虑占空比D>0.5的工作模式，得到吸收电阻Rs的取值范围为5.2Ω
图15为带充放电型RCD吸收电路的三电平Buck变换器中开关管Q1电压波形，根据实验波形测量得出，Q1完全关断时承受电压均值为502V，电压尖峰峰值为756V，超调量为50.6%。
图16为带低损耗型RCD吸收电路的三电平Buck变换器中开关管Q1电压波形，根据实验波形测量得出，Q1完全关断时承受电压均值为499V，电压尖峰峰值为742V，超调量为48.7%。
由图14~图16相比较可以得出，在不加吸收电路时开关管关断过程中会产生很大的瞬时电压尖峰，电压超调较大，加RCD吸收电路后可以大幅降低超调量，低损耗型RCD吸收电路对开关过程中的电压尖峰有很好的抑制作用。
改变工作频率为60kHz，高频时未加RCD吸收电路和带低耗型RCD吸收电路开关管的电压波形，如图17所示。可以看出，低损耗型RCD电路在高频条件下仍有很好的尖峰抑制效果；同时由图17（a）可以看出SiCMOSFET在导通和关断时产生了米勒平台振荡。
SiCMOSFET的开关损耗主要与栅极驱动电阻有关，包括导通损耗和关断损耗，可以通过示波器的电源功率分析功能读出。选取开关管Q1，在同一温度条件下分别在未加RCD吸收电路实验、带充放电型RCD吸收电路实验、带低损耗型RCD吸收电路实验中读出其开关损耗。其中，未加RCD吸收电路实验中Q1的开关损耗为22.5mJ，导通损耗为12.7mJ，关断损耗为9.8mJ；带充放电型RCD吸收电路实验中Q1的开关损耗为22.4mJ，导通损耗为12.9mJ，关断损耗为9.5mJ；带低损耗型RCD吸收电路实验中Q1的开关损耗为22mJ，导通损耗为12.8mJ，关断损耗为9.2mJ。实验表明：外加RCD吸收电路会增加开关管导通损耗，降低系统关断损耗，但总体上降低了开关损耗。与带充放电型RCD吸收电路相比，带低损耗型RCD吸收电路的SiCMOSFET开关损耗更低。
5、结论
针对SiCMOSFET在三电平Buck变换器开关过程中出现的电压尖峰问题，本文主要工作如下。
（1）对RCD吸收电路进行了参数设计。因电路搭建方式的多样性，难以通过理论计算得到杂散电感数值，因此本文在未加吸收电路时通过实验测量计算得到线路的杂散电感，理论推算出所需吸收电容值及吸收电阻的取值范围，在实际调试中不断修正，根据吸收效果确定两者的最优设计值，为并联RCD吸收电路实验的器件选型提供了依据。
（2）在充放电型RCD电路的基础上加以改进，设计了一种低损耗型RCD吸收电路，将两者工作原理和损耗进行对比分析可知，相比于充放电型RCD吸收电路，低损耗型RCD吸收电路省去了开关管开通时吸收电容放电的过程，损耗更低。同时，通过实验验证了低损耗型RCD吸收电路在高频工作条件下，可以对SiCMOSFET开关过程中产生的电压尖峰有很好的抑制效果；在相同测试条件下带低损耗型RCD吸收电路的SiCMOSFET具有更低的开关损耗。因此相比于带充放电型RCD吸收电路，带低损耗型RCD吸收电路的三电平Buck变换器具有更低的损耗。
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