大功率SiC逆变器设计
将SiC器件应用于逆变器系统中能显著提高系统的开关频率，从而减小滤波电感等无源元件体积，使得SiC逆变器更适用于体积和重量受限的应用场景。从系统成本的角度看，虽然使用SiC器件相比于Si器件会使得器件成本增加，但是无源元件、散热器等成本都会大幅下降。
由于SiC器件的优异性能，使用全SiC器件的三相逆变器得到了广泛研究。设计了一套150kW/1500V的并网光伏同步发电系统，用1700V的SiCMOSFET半桥模块设计了一台150kVA的两电平三相并网逆变器，采用了1000V的直流母线电压和600Vrms的输出线电压有效值，开关频率设计在20kHz。通过损耗分析，能取得99.14%的峰值效率和99%的满载效率。而采用Si IGBT的逆变器进行了对比，在2kHz的工作频率下，峰值效率仅有98.6%。对比可得SiC逆变器在提升10倍的开关频率后仍能减小30%的损耗。同时该文献对4款用于1500V系统的商用光伏逆变器进行了比较，其关键性能参数如表1.1所示。
从表1.1可知，尽管SiC逆变器和IGBT逆变器的峰值效率几乎一样都为99%，但是SiC逆变器的加州能源委员会效率(California Energy Commission，CEC)相对更高。SiC逆变器比IGBT逆变器提高了15%的功率密度和19%的功率重量比。
对应用于电机驱动系统的三相逆变器进行了研究，拓扑结构如图1.1所示。文中分别使用SiC MOSFET和Si IGBT设计了两套60kW的电机驱动系统。在10kHz的开关频率下，IGBT逆变器的损耗为1789W，而SiC逆变器的损耗为584W，仅为IGBT逆变器损耗的1/3。当器件的结温相同时，SiC逆变器的散热器体积为IGBT逆变器的散热器体积的35%。
搭建了一套1MW的SiC光伏系统，使用两个两电平三相逆变器并联，每个逆变桥臂由3个GE公司的1700V/500A的SiC MOSFET半桥模块并联组成。在直流电压分别为900V、1000V和1100V时，对比了不同输出功率情况下的逆变器效率。当直流电压为900V时，在全功率范围内都取得最高效率，其峰值效率超过99.1%，CEC效率接近99%。
中设计了一台500kW的三相逆变器，由五个100kW的两电平SiC逆变器组成，采用风冷散热方式并取得了1.246kW/L的功率密度。在直流电压为650V、交流电压为380Vrms以及开关频率为20kHz的情况下，取得峰值效率为99.15%（250kW时）以及满载效率为98.85%。
使用Cree公司的1200V/445A的SiC MOSFET模块设计了一台250kW的两电平逆变器样机，采用液冷散热方式，开关频率设计在20kHz，实现了15.6kW/kg的功率密度。文献[10]设计了一台312kVA的两电平三相逆变器，每个桥臂使用10个Cree公司的1200V/100A的SiC半桥模块并联。在直流电压为650V，输出线电压有效值为400V，开关频率为20kHz时，实现了99.3%的峰值效率。
介绍了一台70kVA的两电平SiC逆变器。在直流电压540V、输出相电压有效值190Vrms、开关频率为20kHz情况下，在采用断续调制方式时取得了99.4%的峰值效率，功率密度达到15kW/kg。文献[12]介绍了一台50kW的两电平SiC逆变器，在直流电压为1000V，输出线电压有效值为460Vrms，开关频率为20kHz情况下，取得了98.42%的CEC效率，功率密度为75W/in3，最大结温为103℃。
中介绍了一台50kW的SiC两电平三相逆变器样机。当直流电压为750V，输出相电压有效值为230Vrms时，在60kHz开关频率下能取得98.53%的满载效率；当开关频率提高到100kHz时，满载效率下降到97.8%。
中采用了全SiC器件设计了一台250kW的T型三电平逆变器如图1.2所示。垂直桥臂采用1200V的SiC MOSFET半桥模块，水平桥臂使用900V的共源极的SiC MOSFET模块。在直流电压为700V，输出电压有效值为400rms，开关频率为20kHz的情况下，其峰值效率达到99%，满载效率仍有98.2%，功率密度达到25kW/L。
中采用SiC器件设计了一台50kW的T型三电平逆变器。采用风冷散热方式，实现了1kW/kg的功率密度。文献[16]中搭建了一台35kVA的高功率密度的T型逆变器样机。通过改进SiC MOSFET模块的封装形式以及改进栅极驱动，减小了器件的开关损耗，最终实现了70kW/L和50kW/kg的功率密度。
介绍了一台450kVA的T型三电平逆变器样机。该样机通过优化功率回路设计，将信号检测以及控制电路进行高度集成等措施，实现了26.6kW/L的功率密度。在70kHz的开关频率下，取得峰值效率为99.47%（266kVA时）。
介绍了一台用于电动飞机驱动系统的T型逆变器。该样机采用全SiC器件，将解耦电路、栅极驱动电路以及基于PCB罗氏线圈的电流传感器进行高度集成，实现了19.5kW/kg的功率密度。在直流电压为740V，调制比为0.8，开关频率为20kHz情况下，取得了99.07%的峰值效率和98.87%的满载效率。
介绍了一款100kW的用于储能系统的SiC T型三电平逆变器。在输出电压有效值为380V，开关频率为18kHz时，对直流电压从600V增加到1000V时的逆变器效率进行了对比。在直流电压为600V时，在全功率范围内取得最高效率，峰值转换效率为99%；当直流电压为1000V时，峰值效率仅有98.3%。该文献也对比了基于IGBT的T型逆变器，在相同的工作条件下，SiC逆变器能提高0.5%的转换效率。
对应用于中压领域的NPC三电平逆变器进行了损耗分析，对比了基于6.5kV Si IGBT、6.5kV Si/SiC混合器件以及10kV全SiC器件的逆变器效率。在直流电压为7.5kV、输出电压为4.16kVrms、输出功率为1MW时，在1kHz的开关频率下，使用全SiC器件的逆变器效率为99.47%，比使用全Si器件的逆变器效率高0.61%。当开关频率为10kHz时，基于全SiC器件的逆变器效率仍有97.69%，而使用Si器件的逆变器效率仅有92.27%，损耗是SiC逆变器的三倍。
改进了一种基于SiC器件的NPC三电平逆变器的损耗计算方法，推导得到了详细的器件损耗计算公式。在输出电压为400Vrms，开关频率为100kHz时，在直流母线电压为800V时能取得99.2%的峰值效率，比1000V直流电压时的效率高0.1%。
中采用1200V/100A的T型全SiC模块设计了一台60kW的五电平三相光伏逆变器如图1.3所示，实现了27W/in3和3kW/kg的功率密度。在直流电压为720V、输出电压为480Vrms、开关频率为50kHz的工作条件下，取得了99.2%的峰值效率和99%的CEC效率。文献[23]对此五电平逆变器在不同直流电压下的转换效率进行了测试和比较，当直流电压提高到825V时，其峰值效率降低了0.2%，而CEC效率降低了0.3%。因而选取合适的直流母线电压对提升逆变器的转换效率具有重要意义。文献[24]在文献[22]基础上设计了一台100kW的逆变器，将功率密度提升到45.4W/in3和5kW/kg，同时在720V的母线电压下仍能取得99.2%的CEC效率。
介绍了一个基于SiC五电平NPC变换器的电机驱动系统。在直流电压为4000V，并网线电压有效值为2500V，开关频率为20kHz的情况下，取得了98.78%的峰值效率（输出功率为45kW）。
综合来看，使用全SiC器件相比于Si器件能显著提升逆变器的功率密度和转换效率，适合于电机驱动系统、列车牵引设备等对体积和效率要求较高的场合。
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