三相四线制配电凭借稳定性高、适用范围广等显著优点，在工商业、民用等低压配电场景中得到了广泛应用。在传统的有源电力滤波器（APF）、不间断电源（UPS）等应用里，三相四线变换器已经被大量采用。近年来，工商业侧储能以其经济性、电网友好性等特点呈现出蓬勃发展的态势。在离网应用场景下，不平衡负载的带载能力、谐波畸变度等都是其功率转换系统（PCS）的重要指标。碳化硅金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）结合三相四桥臂变换器在此应用场景中具有明显的应用优势。本文上篇将详细介绍常用的三相四线变换器拓扑及其特点，以及不同于三相三线系统的调制方法；下篇将结合仿真实例说明 SiC MOSFET 在其中的应用优势与价值所在。
工商业储能系统离网运行时，可能存在单相负载和三相不平衡负载，这就会产生三相不平衡电流。由于逆变器的输出阻抗不为零，根据对称分量法，输出电压将会包含零序和负序分量。三相三线变换器因为缺乏零序电流通路，无法对零序分量进行补偿。因此，若需解决三相不平衡电压问题，满足单相供电等需求，采用三相四线变换器拓扑是非常必要的。常见的拓扑形式有以下几种：
变压器方式
在传统的三相三桥臂变流器交流输出侧增加一个工频变压器，是实现三相四线供电为简单的方式。变压器的初级侧采用三角形连接，这样零序分量在初级侧被短路，系统只需要考虑正序和负序分量的控制，有助于简化控制方案。次级负载侧通过 Yn 连接为负载提供中线电流通路。然而，当负载不平衡程度较大时，这种拓扑结构难以很好地保持电压平衡。负载电压中的零序分量取决于变压器的漏抗，降低变压器漏抗可以削弱零序分量
造成的三相不平衡。此外，变压器会显著增加系统的体积和成本，这在一些对空间和成本要求较高的应用场景中是一个明显的劣势。
三相三桥臂分裂电容拓扑
这种拓扑将负载中点与直流中点直接相连，从而实现三相四线的供电。该解决方案不需要增加额外的功率器件和变压器，成本相对较低。但当负载不平衡时，不平衡电流会流入直流电容器。考虑到电容器的长期使用寿命，需要更大容量的电容，同时还需要增加中点电压不平衡控制策略以及零序控制。该拓扑结构的输出相电压只能在两个电平（-1/2Vdc，+1/2Vdc）之间跳变，在相同开关频率下，输出电流总谐波畸变率（THD）高于三相三线系统，在相同母线电压下，直流电压利用率更低。由于增加了零序电流路径，空间矢量脉宽调制（SVPWM）无法控制零轴分量，需要采用三维空间矢量调制（3D - SVPWM）或载波调制方法。实际上，一旦交流中点和直流中点相连，三相系统则变成三个独立的单相电路，因此不论是载波调制还是 3D - SVPWM，终的调制效果都与单相正弦脉宽调制（SPWM）的调制效果一致。在必须使用三相四线接线制式的应用场合，为提高谐波抑制性能，在成本允许的情况下，多重化技术将是不错的选择，或者提高开关频率。总体来讲，这种拓扑抑制三相电压不平衡的能力有限。
平衡桥臂式三相四线变换器
这种拓扑也被广泛使用，负载中点连接到直流母线中点，平衡支路通过高频电感也连接到直流母线的中点。通过控制平衡桥功率器件的开通关断来调配两个半母线电容能量，使平衡桥臂支路电流和负载中线电流相互抵消，以确保中点电压相对稳定和三相电压平衡。三相桥的控制方法与分裂电容式拓扑相同。对于这种拓扑结构，抑制三相电压不平衡的能力有所提高，且主要取决于平衡支路的硬件能力。
三相四桥臂变换器拓扑
负载中点直接连接到第四桥臂的交流输出点。第四桥臂为不平衡电流提供了通路，同时增加了一个控制自由度，可以将三相电压解耦为三个独立的单相控制。与分裂电容式的三相四线拓扑结构相比，直流电容的容量需求降低，这有利于减小装置体积重量。控制中，三相四桥臂变换器多使用三次谐波注入的载波调制方法或 3D - SVPWM 调制方法，与上述其他拓扑相比，可以实现更高的直流电压利用率。对三相四桥臂变换器建模分析表明，与三相强耦合的三相三桥臂变流器不同，三相四桥臂变换器可以解耦为三个独立的全桥变换器，特别是在三相负载不平衡的离网应用时，可以通过电压 / 频率（V/F）方式独立控制并建立输出电压，输出相电压不会相互影响。通常采用三次谐波注入的载波调制方法或 3D - SVPWM 调制方法，以获得更好的直流电压利用率和更小的输出谐波畸变。对于三相四桥臂变换器，3D - SVPWM 调制空间在 αβγ 坐标系中是一个六棱柱结构，其中 γ 代表零序分量。输出矢量所在三角棱柱区域的判断以及矢量合成过程相对复杂，与载波调制相比，在工程实际应用中不够友好。且有研究表明，这两种方法在终调制效果上是归一的。
对于三相四桥臂变换器的载波调制方法，其调制波形如图所示，数学表达式为：m 为调制比。该调制方法易于实现，且在工程中被广泛应用。其蓝色曲线对应 A 相调制波形，B 相和 C 相相位差分别为 ±120°，对其进行傅里叶展开，基波分量的幅值为 2/√3sin (ωt)，这意味着与正弦脉宽调制（SPWM）相比，提高了直流电压的利用率。第四桥臂直接应用三倍频正弦波进行调制，在相电压的输出中此分量可被消除。
