基于SiC的優(yōu)化2x250kW雙逆變器

電動(dòng)汽車隨著汽車行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步 (HEV)，(EV) 和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV) 越來越受歡迎。交通系統(tǒng)的電氣化過程需要大量電力。雙逆變器技術(shù)已被用于滿足這些要求 [2], [3]。雙逆變器牽引系統(tǒng)有兩種使用方式。在典型配置中，雙逆變器用于驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，但它也可用于背對(duì)背逆變器拓?fù)湟蕴峁╇p向電力傳輸 [1]?？焖匍_關(guān)、低開關(guān)損耗和高功率密度都隨著 WBG 功率器件的發(fā)明及其在功率逆變器設(shè)計(jì)中的使用而引入 [4]、[5]。由于它們能夠在高溫下工作，碳化硅 MOSFET 等 WBG 器件提供了簡(jiǎn)單冷卻系統(tǒng)的額外好處。但是，由于開關(guān)速度快，這些器件具有較高的 dv/dt 和 di/dt，從而導(dǎo)致電磁干擾和器件故障[6]、[7]。逆變器的可靠性還受到結(jié)溫升的影響。為了克服這些缺點(diǎn)，需要優(yōu)化逆變器設(shè)計(jì)。

本文將討論基于 SiC 的 2x250kW 雙逆變器的設(shè)計(jì)。我們還將介紹熱分析、新母線設(shè)計(jì)、直流鏈路電容器選擇以及開關(guān)頻率對(duì)逆變器性能的影響 [1]。原始文章可以在這里找到。

設(shè)計(jì)母線

碳化硅 MOSFET的特點(diǎn)是高開關(guān)頻率和低損耗。應(yīng)優(yōu)化母線設(shè)計(jì)以減少雜散電感以支持這些特性。圖 1(a) 和 (b) 顯示了兩種母線設(shè)計(jì)。在第一個(gè) 3 層母線設(shè)計(jì)中，我們可以看到疊層交流母線放置在兩個(gè)直流母線的頂部。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是直流母線和功率模塊之間的距離減少了，但層壓面積也減少了，因?yàn)橹绷鲗颖仨毰c交流母線保持足夠的間距。

圖 1(b) 描述了第二種母線設(shè)計(jì)，交流母線在底部，兩個(gè)直流母線在頂部。雖然在第二個(gè)設(shè)計(jì)中功率模塊和直流母線之間的距離增加了，但層壓面積增加了。結(jié)果表明，增加疊片面積可減少雜散電感，當(dāng)比較兩種設(shè)計(jì)時(shí)，第二種母線設(shè)計(jì)的雜散電感比第一種少 30%。

圖 1：母線設(shè)計(jì)

熱特性

由于傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，功率模塊的結(jié)溫會(huì)升高，這對(duì)逆變器的性能有重大影響。因此，控制結(jié)溫至關(guān)重要，結(jié)溫限制在 175oC。為了將溫度保持在可接受的限度以下，使用了有限的冷卻劑，該冷卻劑通過用導(dǎo)熱膏粘合到功率模塊的冷板運(yùn)行，如圖 2 所示。

圖 2：冷板配置

圖 3(a) 和 (b) 說明了逆變器在各種冷卻劑溫度和開關(guān)頻率下的最大輸出功率。從圖3(a)可以看出，冷卻液溫度低、流量大時(shí)輸出功率最高，冷卻液溫度升高時(shí)輸出功率趨于下降，或在開關(guān)頻率為0時(shí)冷卻板中流量下降設(shè)置為 20kHz。這是由于冷板的熱阻增加 [1]。圖 3(b) 描述了在冷卻劑溫度保持恒定在 105 °C 時(shí)，不同開關(guān)頻率和流速下的輸出功率。如圖所示，由于大的開關(guān)損耗，高開關(guān)頻率導(dǎo)致低輸出功率。雖然在高冷卻劑流速下的低開關(guān)頻率可最大化逆變器的輸出功率，但也會(huì)導(dǎo)致輸出紋波，

圖 3：不同條件下的輸出功率

開關(guān)頻率和直流母線電容器

對(duì)于高功率密度，HT-3000 系列 1.2kV 半橋 SiC 模塊 [8]、[9] 用于提議的逆變器架構(gòu)。前面描述的優(yōu)化母線設(shè)計(jì)最大限度地減少了雜散電感，并允許逆變器支持 250kW。如熱特性中所述，低開關(guān)頻率 (5kHz) 可提高輸出功率，但會(huì)降低輸出質(zhì)量，因?yàn)榈烷_關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致直流鏈路和逆變器輸出部分出現(xiàn)紋波。直流鏈路電容器用于解決此問題。冷卻液溫度保持在 90oC，流速為每分鐘 3 升。實(shí)驗(yàn)表明，低開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致更大的直流鏈路電容，這不僅會(huì)增加逆變器的成本，還會(huì)影響其功率密度。另一方面，高開關(guān)頻率 (20kHz) 需要較小的直流鏈路尺寸，從而實(shí)現(xiàn)高功率密度。因此，在建議的優(yōu)化逆變器中，開關(guān)頻率設(shè)置為 20kHz，冷卻液溫度設(shè)置為 90oC，流量設(shè)置為 3 升/分鐘，功率密度設(shè)置為 60kW/L。圖 4 描繪了雙逆變器原型。雙逆變器的參數(shù)如下表所示。

圖 4：原型視圖

表 1：原型的特征

結(jié)論

本文描述了 2x250kW 雙逆變器的理想設(shè)計(jì)。母線的構(gòu)建方式可以最大限度地減少雜散電感，從而使 SiC MOSFET 能夠提供更低的開關(guān)損耗。還討論了逆變器的熱特性和開關(guān)頻率對(duì)逆變器輸出的影響。

審核編輯：湯梓紅