软开关功率逆变器可解决传统逆变器在最小化开关损耗与开关速度之间的权衡难题。埃尔朗根 - 纽伦堡大学(FAU)的研究人员与三安光电合作，开发出一款效率超过 99.6% 的软开关逆变器。这一技术突破能帮助电动汽车制造商提升续航里程，并充分发挥宽禁带半导体的性能优势。

为何未能充分挖掘宽禁带半导体器件的潜力?

高效率、低冷却需求和紧凑型无源元件是现代电力电子设备的核心目标。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带半导体材料为实现这些目标提供了新可能。SiC 和 GaN 晶体管支持更高的开关速度，可降低损耗并实现更紧凑的电力电子系统，但同时也会给电机绕组带来更大的电压变化率(dv/dt)应力。为减轻这种影响，实际设计中往往会降低开关转换速度，这反而增加了开关损耗，导致宽禁带技术的潜力未能充分释放。

解决这一矛盾的方案：软开关技术

现代软开关变换器拓扑结构能显著减少这些弊端，破解效率与开关速度之间的传统权衡。这类拓扑集成了由电感和电容组成的辅助谐振电路，使晶体管可在零电压(ZVS)或零电流(ZCS)状态下开关，从而大幅降低开关损耗。除了提升效率和降低冷却需求，电磁辐射的减少还能降低对敏感设备的干扰，进而简化屏蔽和滤波设计。更平缓的电压变化率还能限制电压尖峰、提升系统可靠性，并减少电机中的轴承电流，延长电机使用寿命。

软开关技术起源于直流 - 直流(DC/DC)变换器，目前已在该领域成功应用并实现商业化。不过，这一核心原理同样适用于直流 - 交流(DC/AC)和交流 - 直流(AC/DC)功率变换器。

为何选择 S²I-ARCP 拓扑结构?

现有文献中存在多种软开关逆变器拓扑，其主要区别在于辅助电路的布局。辅助谐振换相极(ARCP)是最具应用前景的方案之一 [1]。该拓扑由标准 B6 桥和辅助电路组成，辅助电路通过零电压开关(ZVS)实现 B6 桥晶体管的平稳切换。

埃尔朗根 - 纽伦堡大学的研究人员近期对该设计进行了优化，推出了一款减少元件数量的变体 —— 单共享电感辅助谐振换相极(S²I-ARCP)[2]。这种拓扑让三相共用一个电感(见图 1)，省去了两个辅助电感，从而减小体积、降低重量和成本。单个电感负责所有三相的换相工作，智能控制策略确保同一时间只有一相接入辅助电路。这一功能通过检测不同相之间的潜在冲突，并相应调整开关边沿实现。

图1

S²I-ARCP 原型机的实现

研究团队搭建了一台 800 伏、15 千瓦的原型机以验证该概念。原型机包括控制板、直流母线电压测量模块、三相电流传感器、底部集成 B6 桥和直流母线的主电路板，以及顶部集成环形空心线圈的辅助电路板。为增大缓冲电容容量，NP0 型多层片式陶瓷电容器(MLCC)与主开关的输出电容并联连接。

B6 桥的主开关采用三安光电 1200 伏、16 毫欧碳化硅金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)，辅助电路则使用三安光电 1200 伏、20 毫欧 SiC MOSFET。由于换相过程中电流仅短暂流经辅助电路，辅助开关可选用更低电流额定值的器件。主开关的栅极信号通过传统正弦调制生成(其他调制方式同样适用)。辅助开关工作策略的详细实现(包括冲突避免)可参考文献 [2]。

图 2 为原型机实物图，表 1 汇总了关键设计参数和元件信息。

图2

表1

电压变化率(dv/dt)限制与电磁干扰(EMI)降低

电力电子设计师可通过选择合适的参数和谐振元件，改善变换器的电磁干扰性能。电压曲线可根据应用的特定电磁干扰要求和电压变化率限制进行调整(见图 3 中低侧(LS)到高侧(HS)的转换过程)。

图3

在脉冲宽度调制(PWM)确定的开关动作即将发生前，两个辅助开关会在零电流(ZCS)状态下导通，使辅助电感中产生电流，驱动谐振转换。低侧开关关断后，辅助电感(Laux)与缓冲电容(Csn)发生谐振，开始对主开关的输出电容进行充放电。高侧开关两端的电压以缓慢、平稳的正弦方式逐渐降至零，直至反并联二极管满足导通条件。一旦高侧晶体管的反并联二极管导通，高侧晶体管即可在零电压(ZVS)状态下导通，显著降低开关损耗。

谐振参数(辅助电感 Laux 和缓冲电容 Csn)的选择决定了换相时间，可在不牺牲效率的前提下精确调节最大电压变化率(dv/dt)。该设计的最大电压变化率被限制在 6.7 千伏 / 微秒，已满足大多数常见工业要求。

效率与功率损耗

图 4 展示了逆变器效率随输出功率的变化曲线，数据显示在宽负载范围内(包括开关损耗通常占主导的部分负载工况)，效率均超过 99.6%。这一效率水平使得该功率范围内无需采用强制风冷或水冷。进一步研究 [3] 表明，与传统硬开关 B6 桥相比，该拓扑的总损耗降低了约 50%，且在相同冷却条件下可显著提高开关频率。

图4

提高开关频率能改善输出电压和电流的波形质量，进而减少逆变器驱动电机的谐波损耗，并可减小直流母线的电容尺寸。

在 SiC MOSFET 的软开关模式下，开关损耗最多可降低 90%[3]。剩余的开关损耗主要发生在关断过程中，这一损耗主要受漏源极电压上升前 MOS 沟道关闭速度(即电压 - 电流重叠时间)的影响。关断转换速度取决于晶体管参数和栅极驱动器特性。

为何选择三安光电?

三安光电的晶体管产品组合具有极低的内部栅极电阻(Rg,int)—— 最低可达 0.9 欧姆，且输入电容(Ciss)和输出电容(Coss)经过精心优化。这种特性组合实现了超快的沟道关闭速度和平缓的电压上升过程，最大限度地缩短了关断时关键的电压 - 电流重叠时间。其结果是，在零电压开关(ZVS)工作模式下实现了极低的开关损耗，无论在硬开关还是软开关应用中，都能提供卓越的效率和性能。

目标应用领域

该拓扑的一个重要应用领域是汽车牵引逆变器。许多汽车制造商已在其电动汽车驱动逆变器中采用宽禁带半导体，但由于系统(如电机绕组)限制，往往无法充分利用其高开关速度，导致功率损耗增加和冷却需求上升。借助软开关技术，该拓扑可实现开关损耗与电压变化率(dv/dt)的解耦，在相同开关变化率条件下将开关损耗降低高达 90%，从而提升效率，减小设备尺寸和体积。

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