一代的电源转换器需要满足具有挑战性的要求，例如低功率损耗、高功率密度和效率。直到不久之前，这些功能只能通过基于纯硅功率器件的多级拓扑来实现。然而，随着碳化硅 (SiC) MOSFET的引入，功率损耗已大幅降低，为基于 SiC 的多级方法开辟了道路。
本文将介绍基于 3 电平 T 型中性点钳位转换器 (3L-TNPC) 的 450 kW
逆变器的原型。基于多层母线结构，所提出的设计实现了比普通三电平转换器更低的杂散电感，并且温升有限。
通过选择栅极电阻 (1Ω)，转换器原型实现了超过 67.7% 的
开关损耗降低、26.6 kW/L 的功率密度以及 99.47% 的峰值效率（在 266 kW 和 70 kHz 开关频率下运行时测得）。在这里阅读原文。
设计概览
碳化硅 (SiC) 等宽带隙 (WBG) 半导体由于其更小的裸片尺寸、更低的开关损耗和更少的高温退化而被广泛用于高性能转换器 [1]。此外，它们允许更高的开关频率，从而减少电流纹波 [2,3] 和无源元件尺寸 [4,5]。
然而，为了充分利用它们的优势，世界银行集团需要更谨慎的设计，考虑到：
更小的管芯尺寸会导致更集中的功率损耗
为了防止热失控，需要一种有效的冷却方法
更高的开关速率会产生更多的过冲、传导 EMI 和辐射 EMI
需要付出努力才能实现有效的 EMI 滤波器设计
布局需要寄生优化
栅极驱动器应表现出抗噪声的稳健性。 所提出的三电平 T 型中性点钳位转换器 (3L-TNPC) 设计如图 1 所示。既适用于电机驱动应用，也适用于光伏逆变器，这种拓扑结构提供更低的开关损耗、更高的效率和更好的总谐波失真 (THD) 比 2 级逆变器拓扑。
然而，与类似的三电平拓扑结构一样，它会受到高功率环路杂散电感的影响，在开关瞬态期间会在器件的
端子上产生显着的振荡和电压过冲。反过来，这会增加开关损耗并产生额外的EMI噪声，从而危及设备的使用寿命。
建议的 3L-TNPC 解决方案的单相配置。
图 1：建议的 3L-TNPC 解决方案的单相配置
如图 2 所示，目前基于三电平 T 型中性点钳位转换器 (3L-TNPC) 拓扑的解决方案很难将电源环路电感降至 20.0 nH 以下。因此可以采用更大的栅极电阻来减轻开关应力，尽管这会降低效率或使系统更复杂。
不同文献中三电平变换器功率环路杂散电感的比较。
图 2：不同文献中三电平变换器功率环路杂散电感的比较
为了提高转换器的功率密度，信号检测和调节电路的紧凑集成是必要的。本文提出的新型高性能 450 kW 解决方案基于配置在 3 电平 T 型中性点钳位转换器拓扑中的 SiC-MOSFET，可实现更低的电感（Lstray，busbar = 12 nH），从而实现更快的开关速度，更低的开关损耗，更高的效率。
汇流排设计
三相 450 kW 原型如图 3 所示。由于采用对称设计，因此可以在图 4 中看到每相的详细视图。
450 kW 3L-TNPC 逆变器的顶视图。
图 3：450 kW 3L-TNPC 逆变器的顶视图
分解图如图 5 所示的汇流排连接电源模块和
电容器，形成 3L-TNPC 拓扑结构。
三个阶段之一的分解图。
图 4：三个阶段之一的分解图
母线层的分解图。
图 5：母线层的分解图
选择图 3 所示的电压
传感器时考虑了具有高 dv/dt 特性的电源转换器的要求，例如带宽、低势垒电容和高共模瞬变抗扰度 (CMTI)。
由于转换器的 RMS 输出电流高于 500 A，因此需要非接触式电流传感器以避免互连处过热。然而，还有更小的磁电机电流传感器和霍尔电流传感器需要进一步研究。
信号处理系统的架构如图 6 所示。为所有组件提供电源以及接收和发送信号。共模（CM）滤波器放置在几个关键位置，以避免数字芯片的信号失真和故障。
信号传感、调节和控制器电路的架构。 在 1Ω 栅极驱动电阻下使用双脉冲测试获得的开关波形如图 7 所示。根据双脉冲测试提供的结果，仅观察到 30% 的过冲。
当 T1 打开时，来自 DPT 的测量波形。 通过选择不同的栅极电阻，开关损耗已被测量和总结，如图 8a（关断损耗）和 8b（导通损耗）所示。
不同栅极驱动速度下的开关损耗。 优化的母线杂散电感可实现1Ω驱动速度，从而降低67.7%的开关损耗。在连续测试下，在 200 千瓦时实现了 99.47% 的估计效率。
