适用于直流配电系统的99.3%高效率三相降压型全碳化硅SWISS整流器

摘要：

相较于交流配电系统，应用于数据中心、工业领域和居民区的直流配电系统有望实现更高的效率、可靠性并降低成本，因此成为近年来的重要研究方向。此类应用中，通常需要一款高效的功率因数校正整流器，从传统三相交流电网为直流配电母线供电。本文对三相降压型单位功率因数SWISS整流器展开分析，结果表明，采用交错并联拓扑可显著改善其输入电流总谐波失真率。直流输出滤波器采用电流补偿型集成共模耦合电感器实现，该电感器既能保证交错并联半桥之间的均流，又能提供共模电感。基于上述分析，本文采用碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管，设计了一款8kW的实验室级原型变换器，功率密度达4kW/立方分米（64W/立方英寸）。硬件原型的实测结果显示，该整流器满功率效率为99.16%，峰值效率达99.26%。

一、引言

过去数十年间，信息通信设备、数据中心、电动汽车电池充电、LED照明等固有直流负载的电力需求大幅增长。此外，光伏组件、燃料电池、电池储能等可再生能源发电系统也基于直流制式。因此，直流配电系统可减少电能变换环节，在效率、可靠性和成本方面具备显著优势。正因如此，适用于信息通信设备、电动汽车动力电池快充和直流微电网的直流供电与配电系统，近年来成为学术界和工业界的研究热点，相关标准也已制定。

此类应用中，数十千瓦及以上的负载由约400V的直流母线供电，而该直流母线则由额定线电压400V或480V的传统三相交流电网供电。由于功率等级较高，要求交流输入电流为与电网电压同相的正弦波。因直流母线电压低于三相线电压全波整流后的幅值，传统方案通常采用两级变换架构：前级为升压型功率因数校正整流器，输出约800V直流电压；后级为降压型直流-直流变换器。而降压型功率因数校正整流器可直接将三相交流电网转换为低压直流母线，作为一种更具优势的替代方案，有望降低损耗、减小体积并节省成本。

Fig. 1.

图1(a)为文献[10]提出的三相降压型SWISS整流器拓扑结构，该拓扑由交流侧电磁干扰输入滤波器、输入电压选择器，以及两个串联的降压型直流-直流变换器组成。需注意的是，输入电压选择器中的所有二极管和开关管仅在电网频率下换流，因此该部分基本无开关损耗。基于此，输入电压选择器可采用低正向压降二极管，或基于金属-氧化物半导体场效应晶体管的同步整流管。输入电压选择器的输出电压为分段正弦波，其中电位最高的输入相连接至x节点，电位最低的输入相连接至z节点，剩余一相连接至y节点。

表1变换器技术参数

本文将在第二部分对比传统单降压变换器输出级（图1(a)）和交错并联型SWISS整流器（图1(b)）的交流输入和直流输出特性，第三部分介绍所研制的原型变换器及实测结果。

二、SWISS整流器

（一）非交错并联型SWISS整流器

图1(a)所示的SWISS整流器采用两个耦合直流输出电感，分别为共模电感和差模电感。由于直流负载连接在变换器的p、n输出节点之间，与交流电网的中性点N无连接，通常可认为p、n节点电流相等，此时仅需差模电感即可。但在实际应用中，若负载为大规模直流配电母线，且包含大容量后备电池，其对地会存在较大的寄生电容；或为满足电磁干扰标准，变换器增设专用共模电容时，上述假设不再成立。此时，变换器输出节点p、n与接地的电网中性点N之间会形成高频共模电流的导通路径，如图1所示。

Fig. 2.

图2(a)为表1参数下8kW非交错并联型SWISS整流器的仿真结果，展示了交流输入电压及对应的输入电流。可见，交流输入电流存在显著的开关频率纹波，且在电网电压每60°扇区边界处，电流畸变幅值约为6A。图3(a)为电网电压首次相交（ωt≈60°）附近的详细仿真结果，该畸变由滤波电容的开关频率电压纹波导致。由于输入电压选择器的工作特性，其输出电压为分段正弦波，滤波电容会在交流侧产生无功功率，而该无功功率通常需限制在变换器额定输出功率的百分之几，因此滤波电容的容值受到严格限制。同时，SWISS整流器为降压拓扑，直流-直流变换器的输入电流为断续状态，结合滤波电容容值受限的特点，最终导致其电压产生较大的开关频率纹波。

（二）带交错并联输出级的SWISS整流器

若要降低输入电流和电压纹波，传统方法为增大交流输入滤波器的容值和感值，或提高开关频率，但这两种方式都会增加变换器系统的体积、损耗和成本。为克服上述缺陷，可采用两个交错并联的直流-直流变换器作为输出级，以减小输入和输出电流纹波。本文将该拓扑命名为交错并联型SWISS整流器，其结构如图1(b)所示：p侧直流-直流变换器采用两个独立桥臂，n侧同样采用两个独立桥臂。对两组桥臂的脉宽调制载波采用相同占空比、180°相移的控制策略，使得合成后的输入电流高频分量频率翻倍、幅值减半，详细仿真结果如图3(b)所示。

图2(b)为交错并联型SWISS整流器的仿真结果，可见其差模和共模电流纹波较图2(a)显著减小；图3(b)为电网电压首次相交处的详细仿真结果。得益于降压变换器输入电流纹波的减小，滤波电容的峰-峰值电压纹波由非交错并联时的105V降至24V，且交流输入电流在60°扇区边界处的纹波和畸变由约6A降至1A以下。

Fig. 3.

交错并联降压变换器可通过控制实现各模块电流均分，即除开关频率纹波外，p侧和n侧的桥臂电流均相等。这意味着可采用紧密耦合电感器对直流-直流变换器的输出电压进行电流补偿滤波，该电感器理想情况下无直流磁通量，无需设置气隙，因此可获得更大的电感值，特性与共模电感器相似。传统方案通常采用单元间变压器实现该功能，此时交错并联型SWISS整流器需两个单元间变压器，分别对应p侧和n侧桥臂。而本文将两个单元间变压器与共模电感集成为一个四绕组磁性元件，命名为集成共模耦合电感器，其结构如图1(b)和图4(b)所示。

（三）集成共模耦合电感器（ICMCI）

为分析集成共模耦合电感器的特性，将SWISS整流器的输入滤波器、输入电压选择器和直流-直流变换器等效为电压源，定义各节点相对于电网中性点和/或地的电位。进一步可将这四个等效电压源分解为共模、外差模和两个内差模分量，拓扑结构如图4(b)所示；图4(a)为传统SWISS整流器的等效电路，用于对比分析。各等效电压的计算公式如下：

忽略集成共模耦合电感器的杂散磁场，其磁芯中四个绕组产生的磁通量之和为零，即：

由于p侧和n侧绕组的绕向相反，四个绕组的端电压之和也为零。对图4(b)电路列写基尔霍夫电压定律，可得三个附加方程，结合上述电压和为零的条件，共四个方程用于定义集成共模耦合电感器的绕组电压：

其中，
为变换器共模电压的开关频率分量。求解上述方程组，可得集成共模耦合电感器各绕组电压：

由上式可知，集成共模耦合电感器的绕组电压仅由开关频率共模电压和内差模电压决定，而外差模电压仅作用于差模电感和直流输出端。

Fig. 5.

图5(b)为额定工况下集成共模耦合电感器绕组电压和外差模电压的仿真结果，与图5(a)的非交错并联型SWISS整流器相比，作用于差模电感的外差模电压峰-峰值减小，导致外差模电流纹波较传统差模电流显著降低，共模电流亦呈现相同规律。图6为0°≤ωt≤30°范围内开关频率电压和电流波形，可见集成共模耦合电感器的绕组电压为开关频率的周期波形，而作用于差模电感的外差模高频电压因谐波抵消，频率翻倍。

三、整流器原型机研制

对于数据中心等7×24小时不间断运行的供电系统，高转换效率至关重要，可最大限度降低变换损耗和冷却成本，进而减少系统运行成本。此外，在采用冗余供电的应用场景中，变换器通常在额定功率的50%及以下工况运行，因此要求变换器在宽输出电流范围内保持高效率。基于此，本文针对表1的运行工况，设计了一款在输出功率大于额定功率1/3时，效率仍高于99%的整流器。

表2硬件原型机所用元器件参数

相较于硅基绝缘栅双极型晶体管和硅基金属-氧化物半导体场效应晶体管，碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管具有导通损耗和开关损耗低、阻断电压高（1.2kV）的优势，因此本文选用该器件作为开关管。差模电感采用纳米晶磁芯材料，其饱和磁通密度高（约1.2T），且损耗低于非晶合金；电流补偿型集成共模耦合电感器则采用3C94铁氧体磁芯，以降低磁芯损耗。集成共模耦合电感器采用对称立方型磁芯结构，由四个传统C型磁芯拼接而成，每个C型磁芯绕制一个绕组，如图7所示。

图8(a)为额定工况下各元器件的计算损耗，图8(b)为对应元器件的体积。总损耗中，半导体器件损耗占比约60%，主磁性元件损耗占比13%，电磁干扰滤波器、控制电路、栅极驱动器、辅助电源等损耗占比27%。本文研制的硬件原型机实物如图9所示，尺寸为420mm×95mm×50mm，功率密度达4.0kW/立方分米（66W/立方英寸）。

图10为额定工况下整流器电网电压和电流的实测波形，可见输入电流接近正弦波，且扇区边界处无畸变，与仿真结果一致。整流器控制电路采用纯电阻性电网特性控制策略，在电网电压总谐波失真率为2.29%的情况下，输入电流总谐波失真率仅为2.45%。

图11为输出电压400V时，整流器效率随直流负载电流变化的计算值和实测值（采用横河WT3000功率分析仪测试）。可见，原型机的实测效率与计算值在宽电流范围内高度吻合：输出电流12.5A时，实测峰值效率达99.26%（误差范围98.80%99.74%）；额定输出电流20A时，实测效率为99.16%（误差范围98.84%99.49%）。

四、结论

本文提出了一种带交错并联直流-直流变换器输出级的三相降压型单位功率因数SWISS整流器，该拓扑可实现三相交流电网到低压直流母线的单级变换。采用交错并联直流-直流变换器拓扑，不仅减小了输入电流和电压纹波，改善了交流输入电流的总谐波失真率，还降低了直流输出电流纹波。此外，可将所需的直流输出电感器集成为电流补偿型集成共模耦合电感器和差模电感。基于上述方案，本文设计了一款适用于直流配电和供电系统的高效交错并联型SWISS整流器，功率密度达4kW/立方分米。原型机实测结果验证，该整流器在8kW额定输出功率下的效率为99.16%（误差±0.32%），峰值效率达99.26%（误差±0.48%）。

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