下表詳細(xì)對(duì)比了這三種主要拓?fù)涞年P(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)：

拓?fù)漕愋?核心差異組件 DC源要求 典型組件數(shù)（三電平單相）電壓均衡

中點(diǎn)鉗位 (NPC)鉗位二極管單一開關(guān)管：4，鉗位二極管：2挑戰(zhàn)較大，高電平損耗不均

飛跨電容 (FCML)飛跨電容單一開關(guān)管：4，飛跨電容：1自然均衡但需主動(dòng)控制

級(jí)聯(lián)H橋 (CHB)H橋單元多個(gè)隔離開關(guān)管：8，電容：2天然均衡，模塊化設(shè)計(jì)

3.2 FCML拓?fù)涞膬?nèi)部變體分類

除了與其他拓?fù)涞谋容^外，F(xiàn)CML自身也存在多種變體，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求 。

按功能分類: FCML拓?fù)淇梢员辉O(shè)計(jì)為降壓（Buck）、升壓（Boost）、雙向降壓/升壓（Buck/Boost）或逆變器 。例如，有研究提出了一種新穎的五電平飛跨電容型雙降壓逆變器，它基于雙Buck電路構(gòu)建，保留了無橋臂直通和無體二極管反向恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn) 。另一種變體是隔離式飛跨電容多電平反激式變換器（FCMFC），它通過隔離的飛跨電容實(shí)現(xiàn)高增益DC-DC變換 。

按工作模式分類: FCML變換器可工作在多種模式下：

連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）: 這是最常見的運(yùn)行模式，電感電流始終連續(xù) 。

諧振模式: 一種較新的研究方向，尤其適用于固定轉(zhuǎn)換比應(yīng)用 。該模式通過精確調(diào)整開關(guān)時(shí)序，使電感電流呈現(xiàn)半正弦波形，從而實(shí)現(xiàn)諧振操作，大幅降低損耗 。

準(zhǔn)兩電平（Q2L）操作: 這種調(diào)制方案旨在將多電平變換器的優(yōu)點(diǎn)（如低dV/dt和低應(yīng)力）與兩電平變換器的簡潔性相結(jié)合 。在Q2L模式下，中間電壓電平僅在開關(guān)過渡期間使用，這可以有效減少所需的飛跨電容體積，是高功率密度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵趨勢(shì) 。

4. FCML拓?fù)涞暮诵募夹g(shù)特性

4.1 基本工作原理與預(yù)充電機(jī)制

FCML拓?fù)涞幕驹碓谟诶蔑w跨電容在開關(guān)周期內(nèi)交替地充電和放電，從而生成多個(gè)電壓電平 。在三電平拓?fù)渲校w跨電容的電壓理論上被鉗位在直流母線電壓的一半 (VDC?/2) 。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電容接入電路，為負(fù)載提供能量或在下一階段存儲(chǔ)能量。

在正常運(yùn)行之前，F(xiàn)CML變換器必須經(jīng)過一個(gè)至關(guān)重要的預(yù)充電過程。若在啟動(dòng)時(shí)飛跨電容電壓為零，可能導(dǎo)致開關(guān)管承受過高的電壓應(yīng)力，甚至損壞 。預(yù)充電通常分為兩個(gè)階段，例如在降壓（Buck）充電模式下，首先控制高壓側(cè)開關(guān)管導(dǎo)通，使電源通過預(yù)充電電阻為直流母線電容和飛跨電容同時(shí)充電。當(dāng)飛跨電容電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值（如UH?/2）時(shí)，進(jìn)入第二階段，關(guān)閉相應(yīng)開關(guān)管，飛跨電容停止充電，而直流母線電容繼續(xù)充電至設(shè)定值，整個(gè)預(yù)充電過程才結(jié)束 。一個(gè)新穎的單管控制預(yù)充電策略，僅通過控制三電平拓?fù)涞耐夤芡〝?，便可?shí)現(xiàn)高效、快速的飛跨電容預(yù)充電，且無需額外增加功率器件，有效簡化了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 。

4.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)：高效率與高功率密度之源

FCML拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)使其具備多項(xiàng)顯著優(yōu)勢(shì)：

降低器件電壓應(yīng)力：FCML拓?fù)淠軌驅(qū)⒄麄€(gè)直流母線電壓分?jǐn)偟矫總€(gè)串聯(lián)的開關(guān)管上，每個(gè)開關(guān)管僅承受$V_{DC}/(N-1)$的電壓應(yīng)力，其中$N$為電平數(shù) 。這使得設(shè)計(jì)者可以使用耐壓更低、導(dǎo)通電阻更小、開關(guān)速度更快的半導(dǎo)體器件，從而提升效率。

減小無源元件體積：多電平輸出波形中的電壓和電流紋波更小，有效提高了等效開關(guān)頻率 。這允許使用尺寸更小、重量更輕的電感器和電容器。例如，一個(gè)三電平FCML（N=3）可使所需電感量減少高達(dá)4倍，而四電平拓?fù)鋭t可實(shí)現(xiàn)9倍的減小，這對(duì)于筆記本電腦充電器等低剖面設(shè)計(jì)至關(guān)重要 。

固有的自均衡特性：FCML變換器的一大特點(diǎn)是其固有的電壓自均衡能力 。通過使用相移脈寬調(diào)制（PSPWM）等策略，每個(gè)飛跨電容在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都會(huì)經(jīng)歷對(duì)稱的充電和放電循環(huán)，從而在穩(wěn)態(tài)下自然維持電壓均衡 。

4.3 核心挑戰(zhàn)：電壓均衡與動(dòng)態(tài)控制

盡管FCML拓?fù)渚邆淅硐氲淖跃饽芰Γ趯?shí)際應(yīng)用中，飛跨電容的電壓均衡和穩(wěn)定性問題仍然是主要挑戰(zhàn) 。在非理想條件下，例如驅(qū)動(dòng)信號(hào)不匹配、元件參數(shù)差異以及負(fù)載或輸入電壓的劇烈變化，都可能導(dǎo)致電容電壓偏離理想值 。

一項(xiàng)研究揭示了一個(gè)深層次的固有問題：FCML拓?fù)湓赑SPWM控制下，電感電流與飛跨電容電壓之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象 。這種共振會(huì)導(dǎo)致飛跨電容電壓出現(xiàn)持續(xù)的振蕩，尤其是在追求極高效率而損耗很低的拓?fù)渲?，這種振蕩更難被抑制 。

為解決這些挑戰(zhàn)，現(xiàn)代研究提出了多種主動(dòng)均衡策略：

基于反饋的主動(dòng)均衡：通過實(shí)時(shí)檢測(cè)飛跨電容電壓，并動(dòng)態(tài)調(diào)整占空比來糾正電壓偏差 。

模型預(yù)測(cè)控制（MPC）：針對(duì)FCML的非線性系統(tǒng)，MPC算法被用于主動(dòng)控制飛跨電容電壓，即使在零負(fù)載條件下，也可通過在開關(guān)過渡期間插入額外的零電流換向來交換電荷，實(shí)現(xiàn)電壓均衡 。

結(jié)構(gòu)性改進(jìn)：一種新的技術(shù)趨勢(shì)是利用耦合電感來被動(dòng)均衡多相FCML變換器中的飛跨電容電壓 。這種方法可以在不增加控制復(fù)雜性的前提下，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，使其更易擴(kuò)展到大型系統(tǒng)。

5. SiC MOSFET在FCML拓?fù)渲械膽?yīng)用優(yōu)勢(shì)

5.1 SiC MOSFET的卓越性能

將FCML拓?fù)渑c碳化硅（SiC）MOSFET技術(shù)相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)高性能電力電子系統(tǒng)的關(guān)鍵。SiC作為一種寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料，其固有特性使其在功率器件領(lǐng)域遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅（Si）器件。SiC具備高熱導(dǎo)率、高擊穿電壓、低導(dǎo)通電阻和極快的開關(guān)速度等優(yōu)勢(shì) 。

尤其值得關(guān)注的是其開關(guān)特性。與需要考慮拖尾電流問題的IGBT不同，SiC MOSFET在關(guān)斷時(shí)沒有拖尾電流，這極大地降低了開關(guān)損耗 。此外，其體二極管（如果存在）的反向恢復(fù)電荷遠(yuǎn)小于Si基器件，可顯著降低導(dǎo)通損耗

。這些特性使得SiC器件能夠工作在比傳統(tǒng)Si器件高得多的頻率下，同時(shí)保持極高的效率 。

5.2 協(xié)同應(yīng)用：性能的乘數(shù)效應(yīng)

FCML拓?fù)渑cSiC MOSFET的結(jié)合并非簡單的替換，而是一種互補(bǔ)的協(xié)同作用，它創(chuàng)造了一個(gè)強(qiáng)大的正向反饋循環(huán)，顯著提升了系統(tǒng)性能。

高效率與高功率密度：FCML拓?fù)鋵⒏吣妇€電壓分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)SiC開關(guān)管上，使每個(gè)器件僅承受較低的電壓應(yīng)力 。這使得設(shè)計(jì)者可以選擇耐壓等級(jí)較低的SiC MOSFET（例如100V或200V） ，而這些低耐壓器件通常比高耐壓器件擁有更好的性能指標(biāo)。SiC器件的低開關(guān)損耗和快速開關(guān)能力，允許變換器工作在兆赫茲（MHz）的高頻范圍 。高頻運(yùn)行是減小無源元件（電感、電容）體積和重量的關(guān)鍵 。例如，一項(xiàng)研究表明，采用SiC器件的6.6kW DC-DC變換器在500kHz下實(shí)現(xiàn)了接近98.5%的峰值效率，同時(shí)磁性元件的體積和重量減少了50% 。這種集成使得高功率密度成為可能 。

卓越的熱管理：SiC器件天生具備優(yōu)異的高溫工作特性和高熱導(dǎo)率 。FCML拓?fù)渫ㄟ^多電平結(jié)構(gòu)將電壓和電流應(yīng)力分布在多個(gè)器件上，這本身就降低了單個(gè)器件的熱應(yīng)力 。當(dāng)與SiC器件結(jié)合時(shí)，這種優(yōu)勢(shì)被進(jìn)一步放大，使得熱管理更加高效，系統(tǒng)可以在更小的體積內(nèi)處理更高的功率 。

EMI與可靠性：FCML拓?fù)涞牡碗妷翰介L輸出已經(jīng)能夠有效降低EMI 。SiC MOSFET的快速開關(guān)能力雖然可能帶來新的電磁兼容（EMC）挑戰(zhàn)，但FCML固有的低

dV/dt特性可以緩解這一問題 。同時(shí)，SiC器件在高溫和過載條件下的出色耐受能力，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更大的可靠性裕度 。

5.3 SiC與GaN的對(duì)比選擇

在FCML拓?fù)涞膽?yīng)用中，除了SiC，氮化鎵（GaN）也是一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料 。SiC和GaN各有其最適合的應(yīng)用領(lǐng)域：

GaN：通常適用于600V及以下的電壓等級(jí)，因其零反向恢復(fù)特性和極低的開關(guān)能量，GaN在低壓、高頻應(yīng)用（如48V數(shù)據(jù)中心電源）中表現(xiàn)出更高的效率 。

SiC：可提供高達(dá)1200V的電壓等級(jí)，具備更高的載流能力和優(yōu)異的高壓效率，這使其成為中高壓應(yīng)用（如電動(dòng)汽車牽引逆變器、電網(wǎng)級(jí)變換器）的首選 。

因此，對(duì)于FCML拓?fù)涠裕?dāng)應(yīng)用于中高壓系統(tǒng)時(shí)，SiC MOSFET憑借其耐壓和電流能力成為更佳選擇，而GaN則在低壓、超高頻的特定場(chǎng)景中更具優(yōu)勢(shì)。

6. 應(yīng)用領(lǐng)域與未來展望

6.1 關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域

SiC使能的FCML拓?fù)湔蔀槎鄠€(gè)關(guān)鍵行業(yè)的領(lǐng)先解決方案：

數(shù)據(jù)中心：為滿足日益增長的計(jì)算需求和服務(wù)器機(jī)架密度，48V電源架構(gòu)已成為主流 。SiC基FCML拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)極高的效率和功率密度，支持?jǐn)?shù)據(jù)中心電源的緊湊化設(shè)計(jì)，同時(shí)降低散熱需求 。

電動(dòng)汽車（EV）：FCML拓?fù)湓陔妱?dòng)汽車逆變器和電池管理系統(tǒng)（BMS）中得到應(yīng)用 。其能夠通過在不同電芯之間臨時(shí)存儲(chǔ)和釋放能量來平衡電池電壓，從而延長電池組壽命并提高整體效率 。

可再生能源與電網(wǎng)：在太陽能逆變器和固態(tài)變壓器等領(lǐng)域，F(xiàn)CML拓?fù)淇蓪?shí)現(xiàn)高效率的電網(wǎng)并網(wǎng) 。SiC的集成使得這些系統(tǒng)能夠處理更高的功率，并滿足嚴(yán)格的電網(wǎng)諧波要求 。

6.2 前沿研究與發(fā)展趨勢(shì)

FCML拓?fù)涞奈磥戆l(fā)展方向集中在解決其固有的挑戰(zhàn)和探索新的應(yīng)用模式：

高級(jí)控制算法：研究人員正致力于開發(fā)更穩(wěn)健、更高效的控制算法來解決飛跨電容的電壓均衡問題，尤其是在動(dòng)態(tài)負(fù)載變化下 。模型預(yù)測(cè)控制（MPC）等方法因其快速響應(yīng)和處理多重約束的能力而備受青睞 。

拓?fù)鋭?chuàng)新：將FCML與其他拓?fù)涓拍钕嘟Y(jié)合，如使用耦合電感來增強(qiáng)電壓被動(dòng)均衡能力，或開發(fā)新的變體以滿足特定應(yīng)用（如準(zhǔn)兩電平工作）的需求，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn) 。

7. 結(jié)論

本報(bào)告從歷史、分類、技術(shù)特點(diǎn)和SiC應(yīng)用等多個(gè)維度，對(duì)飛跨電容多電平拓?fù)溥M(jìn)行了深度分析。FCML拓?fù)涞恼Q生并非偶然，它通過巧妙地利用飛跨電容，規(guī)避了傳統(tǒng)NPC和CHB拓?fù)涞闹T多限制，為中高壓電力轉(zhuǎn)換提供了一種獨(dú)特而優(yōu)越的解決方案。

盡管飛跨電容電壓均衡是其固有的技術(shù)挑戰(zhàn)，但隨著控制理論的進(jìn)步和新型硬件的出現(xiàn)（如耦合電感），這一問題正逐步得到解決。當(dāng)與SiC MOSFET技術(shù)相結(jié)合時(shí)，F(xiàn)CML拓?fù)涞臐摿Φ玫搅俗畲蠡尼尫?。SiC器件的低損耗、高頻工作能力與FCML拓?fù)涔逃械牡蛻?yīng)力、小體積優(yōu)勢(shì)相輔相成，共同開創(chuàng)了高效率、高功率密度電力轉(zhuǎn)換的新紀(jì)元。可以預(yù)見，F(xiàn)CML與SiC技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用將繼續(xù)在電力電子領(lǐng)域發(fā)揮核心作用，成為未來電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心和可再生能源系統(tǒng)等前沿應(yīng)用不可或缺的基石。

深圳市傾佳電子有限公司（簡稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動(dòng)者：

傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：

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公司以“推動(dòng)國產(chǎn)SiC替代進(jìn)口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命，響應(yīng)國家“雙碳”政策（碳達(dá)峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。

審核編輯 黃宇