中高压大功率的电力电子装备普遍存在于现代工业中，如大容量数据中心、超级充电站、柔性直流输电以及GF装备等。而常见的商用IGBT、碳化硅MOSFET的耐压分别为6.5kV和1.7kV，单个半导体功率器件无法直接应用于中高压场合。将多个低压功率器件串联来满足电压等级要求，是解决器件耐压问题最直接的方法。

器件串联的方法具有电路结构简单、使用的器件数量少等优势，并且具有高可拓展性，能够应用于多种电路。同时避免了无源器件体积过大的问题。

但是器件串联也会引入新的问题，首要的就是如何实现各个串联器件的均压，即电压均衡。这包括两点：一是静态均压，即器件不导通时，各串联器件承受的电压均衡；二是器件在开通和关断时刻，功率器件的电压也能实现动态均衡。导致器件不均压的原因可以分为两方面：一是器件内部参数，如漏电流、阈值电压以及寄生电容参数存在差异；二是外部参数，如信号的驱动延时、线路上的寄生电感以及温度不同导致不均压。功率器件会由于过压被击穿，导致器件无法继续使用，因此如何维持串联器件的电压均衡成为了研究的关键问题。

一种利用负向电流回收能量的有源箝位电路

ZJU-PMIC提出了一种利用负向电流回收能量的有源箝位电路，如图1所示，当功率器件两端电压大于电容C电压时，电压就会被箝位在Vc，确保器件不过压。在死区内开通辅助管，利用负向电流放电，积累的电能回馈给直流母线，并且死区内的导通也不影响主功率回路的正常运行。

图1  一个有源箝位电路模块

在中压应用中，由于大量的功率器件和必要的绝缘间隙，VSC的直流侧会产生1~2 μH的寄生电感。因此，ACM电容在处理大电流时表现出较大的电压波动。考虑20kV三相VSC，每臂24个电源器件串联（额定电压1.2kV），直流回路寄生电感2μH， ACM电容10μF。当开关频率为20kHz时，使用PLECS进行不同负载条件下的仿真结果如图2所示。当功率达到3MW时，ACM电容电压纹波过高。

图2 20kV三相逆变器PLECS仿真结果

正向压差放电的纹波抑制策略

为抑制ACM电容纹波，课题组提出了一种正向压差放电的纹波抑制策略，其等效电路和关键波形时序如图3所示。

图3  正向压差放电的(a)等效电路图和(b)关键波形

纹波抑制的核心思想就是在每个开关周期都及时释放换流充电量，使得箝位电容需要处理或者说需要承受的充电量从一个工频周期的累积减小到一个开关周期。

在正电流的半周期，箝位电容在每个开关周期都会充电，这个过程主要发生在上桥臂主管关断时刻。而在下桥臂主管导通时，我们导通上桥臂所有的辅助管，如等效电路所示，把所有的箝位电容都插入电路中。我们分析直流母线和上下桥臂组成的回路，也就是等效电路中黑色的回路，只要此时箝位电容电压之和大于母线电压就能够利用压差将箝位电容中的能量回收回直流母线。

通过这种方法，可以将电压纹波大幅减小。此时的电压纹波相比原有的工频电压纹波要小几个数量级。

测试电路与实验验证

对拖测试电路由待测桥臂和受控桥臂组成，待测桥臂驱动信号为SPWM波，用于测试串联模块性能，受控桥臂通过调控每一开关周期的占空比，使待测桥臂中点电流iac跟踪设定的正弦电流。m1和m2分别为待测桥臂和受控桥臂的调制信号。通过对调制波m1进行移相，生成受控桥臂的调制波信号m2。

图4也展示了电路的向量关系，m1-m=m2，电感电压VL和调制信号m同相位，电感电流iac滞后于电感电压90°，因此电感电流与待测桥臂的调制信号m1同相位。通过该原理可以在电感上产生与待测桥臂调制m1信号相位一致的电流。功率循环在待测桥臂与受控桥臂之间完成，因此能量可以得到回收，电源能耗仅为功率器件损耗与电路寄生电阻损耗。

图4  对拖测试电路

在1500V/50A的测试条件下对比有无压差放电的实验波形。

在图5(a)中，采用原有电压平衡方法，当桥臂电流为正时，ACM电容电压持续上升，当iac = 50A时，其电压纹波上升到70V，峰值为320V。在图5(b)中，由于所提出的放电方法与交流电流无关，当桥臂电流为正时，ACM电压纹波明显减小。峰值约为260V，随iac的增加基本保持不变。

图5  当交流电流从10A到50A变化时，箝位电容的电压波形

将电压提高至3kV，观察对应的箝位电容电压波形，并对样机效率进行了分析。如图7所示，3kV下依然能观察到电压纹波被很好地抑制。

图7 3kV下3个箝位电容电压波形

图8所示为样机效率，对比是否增加正向压差放电，损耗没有明显升高，样机峰值效率为98.9%。因此所提出的方法不会对样机效率造成明显影响。

图8 3kV下有无压差放电样机损耗和效率分析

参考文献

[1] Gao, Z.; Shao, S.; Cui, W.; Wu, Y.; Zhang, J.; Sheng, K. A Control Strategy for Reducing Voltage Ripples in Series-Connected SiC MOSFETs Using Active Clamping Modules in High Power VSCs. IEEE Transactions on Power Electronics 2024, 39 (10), 12149–12155.

作者：江一博