幾十年來，MOS功率器件一直是機器驅動器中電壓源逆變器 (VSI) 和電流源逆變器 (CSI) 的普遍選擇。然而，功率半導體技術的最新進展，特別是使用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 的寬帶隙 (WBG) 功率半導體的開發(fā)，已成為一種可行的替代方案。它們的開關速度比硅基同類產(chǎn)品更快，這使其成為高頻 PWM 開關應用的有吸引力的選擇。 

盡管有這些優(yōu)點，但在 VSI 機器驅動器中使用 WBG 器件作為硅 IGBT 的直接替代品卻帶來了意想不到的挑戰(zhàn)，包括電磁干擾 (EMI) 水平升高和機器端子過電壓。因此，采用 WBG 功率半導體進行機器驅動是一個積極研究和開發(fā)的領域。

Ⅰ. 電壓源逆變器與電流源逆變器

電壓源逆變器 (VSI) 和電流源逆變器 (CSI) 是電力電子中使用的兩種主要逆變器類型，根據(jù)應用的不同，每種逆變器都有自己的優(yōu)點和缺點。以下是兩者之間的主要設計和性能差異。

       圖 1a：VSI 逆變器拓撲。               圖 1b：CSI 逆變器拓撲。

 系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)所需的性能和輸出，具有高頻WBG器件的逆變器的設計是一個重要因素。

對于CSI，由一個簡單的結構組成，包括一個開關器件和一個續(xù)流二極管。在這種情況下，電感器充當緩沖器來過濾和平滑接收到的輸出。另一方面，VSI 具有更復雜的架構，由直流母線電容器、開關器件和續(xù)流二極管組成。然而，在這種情況下，直流母線電容器充當緩沖器以平滑輸出電壓。

當高頻寬帶隙器件出現(xiàn)時，電感器或電容器的使用和選擇是實現(xiàn)效率最大化的關鍵因素。應選擇電感值以提供足夠的電感以確保輸出電流平滑，而選擇電容值以提供足夠的電容以確保輸出電壓平滑。然而，隨著開關頻率的增加，電感值減小，電容器值增加。因此，VSI 可能需要更大的直流母線電容器才能實現(xiàn)所需的性能。

電磁干擾差異：

EMI 是機器驅動設計中的一個關鍵因素，特別是在需要電磁兼容性 (EMC) 的應用中。逆變器拓撲的選擇會影響系統(tǒng)產(chǎn)生的 EMI 水平。由于電流源電感器的存在，與 VSI 相比，CSI 產(chǎn)生的 EMI 較小。電感起到濾波器的作用，抑制逆變器產(chǎn)生的高頻諧波。然而，隨著開關頻率的增加，電感值會減小，CSI 產(chǎn)生的 EMI 也會增加。

另一方面，由于直流母線電容器的存在，與 CSI 相比，VSI 會產(chǎn)生更多的 EMI。電容器充當高頻諧波源，它可以在系統(tǒng)中傳播并影響其他電子設備。然而，隨著開關頻率的增加，由于開關器件上的電壓應力降低，VSI 產(chǎn)生的 EMI 也會降低。

效率模擬：

效率是機器驅動設計中的一個重要參數(shù)，尤其是在需要能源效率的技術中。逆變器拓撲的選擇會影響系統(tǒng)實現(xiàn)的效率水平。與 VSI 相比，CSI 具有更高的效率，特別是由于較低的開關損耗和電流源電感器的存在。電感器在開關器件導通狀態(tài)期間存儲能量，并在關斷狀態(tài)期間釋放能量，從而降低開關損耗。然而，隨著開關頻率的增加，電感值減小，CSI的效率降低。

圖 2：CSI 和 VSI 的效率比較。

另一方面，由于較高的開關損耗和直流母線電容器的存在，VSI 的效率相對較低。電容器在開關器件導通狀態(tài)期間存儲能量，并在關斷狀態(tài)期間釋放能量，從而增加了開關損耗。然而，隨著開關頻率的增加，由于開關器件上的電壓應力減小，VSI 的效率也隨之增加。

二. 基于 GaN-HEMT WBG 器件的反向電壓阻斷開關

WBG器件具有高頻開關的優(yōu)點，提高了逆變器的效率和功率密度。然而，使用這些器件還需要實施反向電壓阻斷開關，以保護逆變器免受反向電壓應力。這種反向電壓阻斷開關可防止電機產(chǎn)生的電壓傳播回逆變器并損壞開關器件。

CSI 與 VSI 的半導體開關需求：硅 MOS 門控電源開關在電機驅動行業(yè)從 CSI 向 VSI 的轉變中發(fā)揮了至關重要的作用，因為它們能夠雙向傳導電流并僅在正向阻斷電壓。這使得它們非常適合 VSI 應用，而 VSI 應用在當今電機驅動市場占據(jù)主導地位。然而，新型寬帶隙器件的出現(xiàn)引發(fā)了關于哪種逆變器拓撲最適合其功能的問題。雖然 CSI 拓撲在 EMI、效率和過壓等方面具有優(yōu)勢，但很少有商用功率半導體器件能夠滿足競爭性 CSI 的要求，因此正在研究替代方法。

反向電壓阻斷開關配置：研究人員在實驗過程中評估了 CSI 的 GaN-HEMT 器件和反向電壓阻斷 (RVB) 開關的適用性。建議的四種 RVB 開關拓撲包括串聯(lián)二極管布置、柵極縮短設計、雙源連接 GaN-HEMT 布置和共漏極布置。盡管易于使用，但串聯(lián)二極管配置具有較大的傳導損耗。雙源連接配置適用于雙向開關，避免了柵極縮短設計的電壓損失和振蕩問題。單片RVB器件可以采用共漏極布置制成，這種布置具有降低的導通電阻和更好的反向電壓阻斷能力。

仿真和結果：選擇共源配置進行實驗測試，使用帶有 GaN-HEMT RVB 開關的 PCB。設計過程中使用ANSYS Q3D和LTSpice進行仿真，識別寄生元件的等效電路如圖3所示。測試了反向電壓阻斷能力，以及正向和反向電壓阻斷的開關性能發(fā)現(xiàn)條件是對稱的。仿真結果與實驗結果準確匹配，確保了未來設計仿真的有效性。

             圖 3a：用于模擬的測試電路。圖 3b：反向電壓阻斷 (RVB) 開關測試電路波形。

三．結論

進行了一項實驗來分析高頻 WBG 器件在 CSI 和 VSI 逆變器拓撲中的使用。據(jù)觀察，兩種逆變器拓撲之間的最佳選擇取決于應用要求和 EMI 和反向電壓阻斷能力等因素。此外，WBG 器件的使用需要包含反向電壓阻斷開關，該開關可以使用共源共柵或肖特基二極管配置來實現(xiàn)。

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總體而言，高頻寬帶隙器件的使用為提高機器驅動性能提供了一個有希望的機會，并且需要進一步研究來優(yōu)化特定應用的逆變器設計。