可再生能源领域的功率转换系统对高效率和紧凑设计的需求日益增长。这一要求使得基于氮化镓(GaN)技术的FET成为400 VDC链路电压下单相应用的首选解决方案。与传统的硅半导体相比，GaN器件具有优势，因为其更快的开关速度可降低开关损耗。

挑战在于向800V系统过渡时出现。随着系统电压升高，电压应力成为一个关键约束，使得尽管GaN技术具有优越的开关特性，也难以在更高电压应用中采用。多电平转换器拓扑通过策略性地增加有源和无源元件，将电压应力分散到多个开关器件上，从而提供了解决方案。

在文献记载的多电平拓扑中，飞电容配置被证明是最具成本效益的解决方案。该拓扑在FET电压应力降低与实现复杂度之间实现了最佳平衡，使其特别适用于兼顾性能和经济性的应用。此外，飞电容拓扑的性能与功率因数无关，因此适用于所有逆变器或功率因数校正(PFC)应用。

在本文中，我将通过实验评估三电平飞电容拓扑的性能，特别关注采用德州仪器(TI)GaN FET的实现方案，该器件采用集成栅极驱动器的超薄晶体管轮廓无引线顶部散热(STOLT)封装。

拓扑结构考量

图1为三相三电平飞电容转换器的原理图。从左到右，系统包括直流电流源、三个飞电容开关单元、开关电感、电磁干扰滤波器，以及通过公共耦合点与三相电网的连接。交流相标记为L1、L2和L3，正电流从转换器流出。直流侧具有用于作为电源或负载运行的电流发生器的正负轨。

图1

单个开关单元包括：

1.四个额定电压为直流链路电压一半的功率FET(S1、S2、S3和S4)。

2.飞电容(CFC)。该电容的额定电压为直流链路电压的一半，其容值与开关频率成反比[4]。

3.用于滤除纹波电流的直流链路电容(CDC)。

4.电感值为两电平应用所需电感四分之一的开关节点的电感[4]。

该DC/AC转换器需满足以下条件(公式1)：

其中VAC代表线电压有效值(RMS)。

飞电容开关单元的工作原理

在飞电容拓扑中，微控制器(MCU)需将飞电容电压控制在直流链路电压的一半。该要求可避免FET两端出现任何可能的过压。MCU施加占空比和死区时间，使FET在标称开关频率(fSW)下开关。

开关对S1和S4与S2和S3互补开关。每个开关单元需要两对死区时间。如果这些开关对不互补，CDC可能短路。

开关对S1和S4与S2和S3之间相位相差180度。该相移使开关节点上的fSW加倍。

开关对在一阶近似下具有相同的占空比，由公式2表示：

其中VSW是以负直流轨为地参考的电压。

图2显示了当开关节点上存在920V电压且直流母线为1,000VDC时的脉宽调制(PWM)信号和开关节点电压。在此条件下，占空比为92%(S1和S2)。由于占空比>50%，开关节点电压在两个电平——500V和1,000V——之间切换。

图2

飞电容布局考量

最大化fSW对于减小飞电容容值至关重要[4]。诸如GaN FET等功率器件能够同时实现高fSW和高效率，但存在设计挑战。较高的开关频率固有地导致较高的电流变化率，当与寄生回路电感结合时，会产生严重的器件过压，可能导致灾难性的器件失效。在多电平转换器中，控制电路与开关器件之间的空间分离通过增加寄生回路电感并影响FET栅极控制，使问题更加复杂。

图3为三电平飞电容开关桥臂内寄生回路电感的示意图。该开关单元具有两个显著影响整体性能的不同换流回路。

图3

内部换流回路(用蓝色箭头表示)包含开关S2和S3的寄生电感以及内部电容(CINNER)。该回路通过元件的策略性布局具有显著的优化潜力，将元件靠近放置可有效最小化寄生电感。

相比之下，用红色圆圈表示的外部换流回路包含开关S1和S4、外部电容(COUTER)和CINNER，形成外部开关路径。由于内部回路已经过优化以实现最小电感，同时优化外部回路则带来了相当大的设计挑战。策略性地放置一个与开关S2和S3并联的附加电容(CADD)可将整体寄生效应降至其最小可实现值[5]。

图4展示了使用STOLT封装GaN器件实现该优化策略的实际案例。图4a显示了三个陶瓷电容的存在。CADD的加入显著改善了开关回路的性能特性。然而，从图4b可以明显看出，增加额外元件会增加整体电路板尺寸，并给栅极驱动器信号管理带来复杂性。

图4

虽然这种信号管理复杂性通常需要降低开关速度——导致总损耗增加，抵消了从更高fSW获得的好处——但可以通过采用集成栅极驱动器的晶体管(如TI LMG3670R010)来减少损耗。该栅极驱动器的集成架构通过利用内部优化的栅极驱动器设计，实现了GaN晶体管的开关性能，消除了许多影响分立式实现的布局相关寄生效应。

虽然集成栅极驱动器解决了与开关相关的寄生问题，但辅助元件可能成为性能瓶颈。诸如用于栅极驱动器电源的隔离式DC/DC转换器、用于飞电容电压检测的电压传感器，以及用于控制信号的数字隔离器等元件，必须具备优异的共模瞬态抗扰度以保持信号完整性。诸如TI的UCC35131、AMC0311D和ISO7721等元件体现了为保持集成GaN解决方案高频开关优势所需的规格要求。

实验结果

TI 15kW至30kW双向三相加中性点基于GaN的飞电容参考设计可用于评估三相飞电容DC/AC转换器的性能[6]。该设计能够使用STOLT封装、导通电阻为10mΩ的GaN器件提供30kW的功率。转换器以65kHz频率运行，受控开关速度为70V/ns。

图5

功率与效率测量

本次实验将直流母线电压保持恒定，控制在800VDC。交流侧首先连接480VRMS，随后连接400VRMS电网。

图6显示了DC/AC转换器一相在全功率下运行的电流和电压。转换器作为PFC运行。从电网电频率周期来看，开关节点电压显示出三个不同的电平。这是因为半个周期需要50%的占空比。具有三个电压电平再加上等效fSW加倍，使得电网电流具有较低的纹波电流。

图6

在不同功率因数但相同视在功率值下的额外测试表明，纹波电流或总损耗没有显著恶化。

随后，通过将DC/AC转换器的功率从2.5kW变化到30kW，测量了每个工作点对应的效率。图7显示了两种不同电网电压水平下的效率与功率曲线。首先可以明显看出，在480VRMS下的效率和功率性能均优于400VRMS下的运行。

图7

在480VRMS、最大输出功率30kW下运行，测得峰值效率为98.7%。虽然在400VRMS下运行时效率较低，但这些结果仍然令人印象深刻。性能差异的原因是，对于相同的RMS电流水平，损耗相似，而在较高电压下功率传输能力更高，从而在480VRMS下实现了更高的整体效率。

结论

在尝试减小转换器尺寸并提高效率时，飞电容拓扑是优选方案。采用GaN晶体管可显著提高fSW，使该拓扑更具吸引力。使用具有集成栅极驱动器的TI GaN FET可优化功率布局，实现70V/ns的开关速度且无明显电压过冲。

本工作测试了一款额定功率为30kW的三相功率板。该拓扑可在逆变器、PFC和无功功率补偿模式下运行，在480VRMS下运行时峰值效率接近99%。