隨著云計算的概念越來越流行，數據量越來越大，數據中心每天都在改進，最終開始以更快的速度增長。它們已成為最大和最快的能源消耗來源，而 UPS（不間斷電源）在其中發揮著重要作用 [2][3]。過多的銅會導致損耗，最終會增加電力輸送基礎設施的資本成本 [3]。中壓交流電代替低壓交流電 LV AC，已被用作數據中心的配電電壓，因為它適用于 UPS 應用 [1][3][4]。圖 1 清楚地顯示了 MV UPS 的結構。圖 2 描述了在五電平拓撲中使用的整流器。請訪問此頁面以獲取原始文章。

圖 1：中壓 UPS 結構

對于具有 MV 高功率 AFE 的應用，一些可能的最佳解決方案是多電平轉換器。它們的實際拓撲結構 [5] [6] 基于以下類別：

• 用于降低電壓應力和 dv/dt 應力的轉換器
• 轉換器最小化濾波器和諧波的尺寸
• 降低開關損耗的轉換器
• 以下是與 MV 應用相關的問題列表，特別是在這些拓撲中使用 WBG 設備時：
• 需要大量SiC MOSFET或需要高速高壓二極管[7]-[15]
• WBG 半導體的額定電壓未見降低 [7][9]-[15]
• 需要具有額外直流鏈路的電壓平衡電路 [9]-[15]

圖 2：5 電平單向整流器

建議的中壓整流器

圖 3a 和 3b 顯示了源自五級 ANPC [16] 的拓撲。在它們中觀察到的一個顯著差異是二極管 D5 至 D8 代替了四個開關。應該注意的是，阻止一部分直流傳輸電壓的二極管 D5 到 D8 使用的是基本的硅二極管，而不是快速二極管，例如，碳化硅肖特基二極管 [1]。在這一點上，Q1 到 Q4 的變化是使用 SiC MOSFET 而不是 Si MOSFET。因此，每級電路包括四個 SiC MOSFET 和四個常規 Si 二極管。此外，在 Q1 和 Q2 附近添加了一個額外的緩沖電容器 Cs，這對于所提出的整流器具有關鍵作用 [1]。

圖 3：(a) 顯示了傳統的 5-L ANPC，(b) 顯示了單向整流器。

擬議整流器的運行

Theis Si 二極管整流器及其反向損耗恢復策略展示了如何限制開關損耗。四個開關狀態可以由本質上互補的有源開關對形成。表 1 顯示了明顯有助于產生每個電壓電平的門控策略。

表 1：整流器模式

已經注意到，當輸入狀態中的電流為正時，二極管 D6 和 D8 始終關閉。這種處于開關狀態的轉換進一步分為四種情況，即

V0 (+0) 和 V2 (+1) 之間的開關狀態轉換

V0 (+0) 和 V1 (+1) 之間的開關狀態轉換

V2 (+1) 和 V3 (+2) 之間的開關狀態轉換

V1 (+1) 和 V3 (+2) 之間的開關狀態轉換

當過零時，Si 二極管將反向阻斷相電流 [1]。同時，級電流將釋放或充電該級所有硅二極管結點處的電容器。每個電容器都包括諧振與晶格側溝道電感器Lin。在任何情況下，所有硅二極管都可以被視為處于零電流開關 (ZCS) 條件下，與開關相關的不幸仍然有限，因為在此跨度期間電流幅度異常低 [1]。

仿真驗證和實驗結果

仿真和實驗證明了功能和效率性能。表 2 描述了模擬和實驗的規格。整流器額定功率2MW，直流母線電壓5kV，電網線電壓3.3kV；這些值用于運行電氣模擬。該系列整流器用于大功率應用，例如數據中心的 UPS。[1]。

表 2：模擬和原型規格

仿真結果

計算 1.4mH 電感以將相電流的 THD 總諧波失真降低到 3% 以內。很明顯，已經采用了 1.7kV CREE-CAS300M17BM2) 的 SiC MOSFET 模塊和 3.3kV 的二極管模塊 (Infineon-DD500S33HE3) [1]。圖 4 顯示了滿足 3% 的 THD 約束的相電流的 FFT 分析，而圖 5 顯示了不同器件的損耗，清楚地證明了四個 SiC MOSFET 上存在硬開關 [1]。可以注意到，在該應用中，建議的整流器的效率為 99.75%。

圖 5：配電功率損耗

原型和結果

圖 6 說明了按比例縮小的 2.5kVA 三相實驗原型，該原型被設計和測試用于驗證所提出的拓撲結構和原型的單相電路。圖 7 清楚地顯示了所提出的原理圖 [1] 的整流器側、直流側和電網側的實驗波形。圖 8 顯示了在不同負載下產生的結果和電容器電壓的波形。2.5kW 額定負載時輸入相電流的 THD 為 2.64%，而 1.1kW 輕載時輸入相電流的 THD 為 5.66% [1]。

圖 6：原型。

圖 7：來自建議整流器的波形

圖 8：不同負載下的響應

結論

本文分析了混合五電平狀態下由SiC MOSFET和Si二極管組成的單向整流器。開通損耗和反向恢復損耗的消除降低了成本。SiC MOSFET 上的電壓已被有效鉗位。與其他可能的混合單向整流器相比，每相需要兩個額定電壓相對較低的 SiC 功率模塊和兩個 Si 二極管功率模塊。已經介紹了操作原理和模擬。事實證明，該電路在高功率密度MV AFE的存在下具有良好的結構。

參考

[1]一種用于中壓UPS應用的碳化硅和硅混合五電平單向整流器張一帆浙江大學電氣工程學院杭州，

[2] S. Chalise 等人，“數據中心能源系統：當前技術和未來方向”，2015 年 IEEE 電力與能源協會大會，丹佛，科羅拉多州，2015 年，第 1-5 頁。

[3] S. Zhao、Q. Li、FC Lee 和 B. Li，“用于從中壓交流到 400 VDC 的模塊化電源轉換的高頻變壓器設計”，IEEE 電力電子學刊，第 2 卷。33，沒有。9，第 7545-7557 頁，2018 年 9 月。

[4] A. Pratt、P. Kumar 和 TV Aldridge，“電信和數據中心 400V 直流配電評估以提高能源效率”，Proc。電信。能源會議，2007 年，第 32-39 頁。

[5] JR Rodriguez、JW Dixon、JR Espinoza、J. Pontt 和 P. Lezana，“PWM 再生整流器：最新技術”，IEEE Trans。工業電子，卷。52，沒有。1，第 5-22 頁，2005 年 2 月。

[6] S.Kouro 等，“多電平轉換器的最新進展和工業應用”，IEEE Trans。工業電子，卷。57，沒有。8，第 2553-2580 頁，2010 年 8 月。

[7] X.Yuan，“Anon-regeneration五級整流器”，2014 IEEE 能源轉換大會和博覽會 (ECCE)，賓夕法尼亞州匹茲堡，2014 年，第 5392-5398 頁。

[8] D. Mukherjee 和 D. Kastha，“A Reduced Switch Hybrid Multilevel Unidirectional Rectifier”，IEEE Transactions on Power Electronics，第一卷。34，沒有。3，第 2070-2081 頁，2019 年 3 月。

[9] GHP Ooi、AI Maswood 和 Z. Lim，“減少組件數量的五電平多極 PWM AC-AC 轉換器”，IEEE Trans。工業電子，卷。62，沒有。8，第 4739-4748 頁，2015 年 8 月。

[10] PJ Grbovic、A. Lidozzi、L. Solero 和 F. Crescimbini，“用于高速發電機組應用的五級單向 T 型整流器”，IEEE Trans.Ind。申請，卷。52，沒有。2，第 1642-1651 頁，三月/四月。2016 年。

[11] P. Kshirsagar、S. Dwari 和 S. Krishnamurthy，“減少開關數量的多級單向整流器”，Proc。IEEE 能量轉換器。會議世博會，2013 年，第 1992-1999 頁。

[12] KACorzine 和 JRBaker，“減少零件數的多電平整流器”，IEEE Trans。工業電子，卷。49，沒有。4，第 766-774 頁，2002 年 8 月。

[13] TB Soeiro、R. Carballo、J. Moia、GO Garcia 和 ML Heldwein，“用于中壓應用的三相五電平有源中性點鉗位轉換器”，Proc。2013 巴西電力電子。Conf.，2013 年，第 85-91 頁。

[14] H. Wang、L. Kou、Y. Liu 和 PC Sen，“適用于光伏應用的新型六開關五電平有源中性點鉗位逆變器”，IEEE 電力電子學刊，第 2 卷。32，沒有。9，第 6700-6715 頁，2017 年 9 月。

[15] G. Gateau、TA Meynard 和 H. Foch，“堆疊式多單元轉換器 (SMC)：特性和設計”，2001 年 IEEE 第 32 屆年度電力電子專家會議（IEEE 目錄號 01CH37230），溫哥華，不列顛哥倫比亞省，2001 ，第 1583-1588 卷。3.

[16] P. Barbosa、P. Steimer、J. Steinke、M. Winkelnkemper 和 N. Celanovic，“有源中性點鉗位 (ANPC) 多電平轉換器技術”，2005 年歐洲電力電子和應用會議，德累斯頓, 2005, pp. 10 pp.-P.10。

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