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如何設(shè)計(jì)更高開關(guān)頻率的功率轉(zhuǎn)換器

時(shí)間：2024-11-19 15:24:07

關(guān)鍵字：開關(guān)頻率功率轉(zhuǎn)換器

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[導(dǎo)讀]功率電子轉(zhuǎn)換器開發(fā)人員不斷努力以最高效率實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換器功率密度。考慮到減少二氧化碳排放和負(fù)責(zé)任地使用電能和材料的共同目標(biāo)，這一點(diǎn)變得更加重要。

功率電子轉(zhuǎn)換器開發(fā)人員不斷努力以最高效率實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換器功率密度。考慮到減少二氧化碳排放和負(fù)責(zé)任地使用電能和材料的共同目標(biāo)，這一點(diǎn)變得更加重要。為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)，特別是在DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)方面，SiC功率模塊被認(rèn)為是關(guān)鍵使能技術(shù)。

為了提高功率密度，通常的做法是設(shè)計(jì)更高開關(guān)頻率的功率轉(zhuǎn)換器。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器和應(yīng)用簡(jiǎn)介

在許多應(yīng)用中，較高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致濾波器更小，電感和電容值會(huì)降低。特別是對(duì)于采用 16.7 Hz、50 Hz 或 60 Hz

變壓器的應(yīng)用，由于變壓器的尺寸和重量在很大程度上取決于其基本工作頻率，因此優(yōu)化潛力巨大。這解釋了工程師通過大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器間接轉(zhuǎn)換交流電壓的動(dòng)機(jī)，這些轉(zhuǎn)換器通過中頻變壓器提供電流絕緣。這種固態(tài)變壓器被討論用于電網(wǎng)和鐵路應(yīng)用。

此外，大功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器本身在電動(dòng)汽車充電場(chǎng)、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以及光伏、直流能量分配系統(tǒng)或鐵路輔助轉(zhuǎn)換器等各種應(yīng)用中都是必不可少的。

對(duì)于電流絕緣，DC/DC轉(zhuǎn)換器通常使用在相對(duì)較高頻率下工作的變壓器。變壓器電壓和電流的基頻通常與所用功率半導(dǎo)體的開關(guān)頻率相同或相似。功率半導(dǎo)體的較高開關(guān)頻率可能會(huì)使變壓器收縮，因?yàn)樗璧拇判圆牧细?。此外，隨著頻率的增加，變壓器鐵芯的磁性材料最終可以改變?yōu)楦咝Щ蚋阋说牟牧稀?

為了最大限度地提高高功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率而不降低轉(zhuǎn)換器效率，SiC 功率模塊是首選解決方案，因?yàn)榕c傳統(tǒng) IGBT

技術(shù)相比，它們提供更低的開關(guān)損耗。以下文章演示了采用 1200 V / 1200 A 三菱電機(jī) SiC 功率模塊的額定額定功率為 500 kW 的 DC/DC

轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。

500 kW 直流/直流轉(zhuǎn)換器原型

圖1.帶有TPS和等效電路圖的DAB的電流和電壓波形。

DAB 的硬件設(shè)置

為了表征高功率下的DAB，構(gòu)建了圖3中的測(cè)試設(shè)置。電力電子器件的核心是 1200 V / 1200 A FMF1200DX1-24A 碳化硅

MOSFET 半橋模塊。它具有集成的短路檢測(cè)和保護(hù)功能。

作為中頻變壓器的核心材料，納米晶體材料經(jīng)常被使用，因?yàn)樗峁┝烁唢柡痛磐芏群偷蛽p耗。然而，所介紹的DC/DC轉(zhuǎn)換器中的變壓器具有由鐵氧體制成的磁芯，即使與低頻變壓器相比，它也提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。這種

500 kW 轉(zhuǎn)換器的鐵氧體磁芯材料得益于 SiC

功率模塊的低開關(guān)損耗和由此產(chǎn)生的高開關(guān)頻率。此外，變壓器使用帶狀繞組來實(shí)現(xiàn)低漏感和強(qiáng)制風(fēng)冷。中頻變壓器及其尺寸如圖2所示。由此產(chǎn)生的漏感和磁化電感以及DAB參數(shù)如表1所示。漏感是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。它限制了V情況下的電流上升速率ECP≠

V彈性云服務(wù)器。此外，根據(jù)(3)，它必須低于3.5 μH，以避免在給定的DC/DC轉(zhuǎn)換器參數(shù)下功率降額。

圖2.中頻變壓器

圖3.雙有源橋測(cè)試設(shè)置

為了測(cè)量半導(dǎo)體損耗，實(shí)施了DC1和DC2側(cè)全橋的量熱測(cè)量系統(tǒng)。入口溫度T在和出口溫度

T外以及每個(gè)全橋冷卻板中的水流量Q，分別測(cè)量。熱容Cp和水的密度ρ，所有全橋開關(guān)的損耗可以按(5)計(jì)算。整體測(cè)量設(shè)置如圖6所示。DC/DC

轉(zhuǎn)換器輸入和輸出由一個(gè)電源連接和供電。電源消耗的功率對(duì)應(yīng)于DC/DC轉(zhuǎn)換器的損耗。因此，可以對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行精確的功率損耗測(cè)量。量熱測(cè)量進(jìn)一步分解了DC1側(cè)和DC2側(cè)功率模塊損耗和變壓器損耗。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果是在前面描述的硬件設(shè)置上獲得的，如圖6所示。對(duì)于這些測(cè)量，只有一(VECP= VECP) 正在調(diào)查。原型的規(guī)格如表1所示。測(cè)量結(jié)果高達(dá)P外=

504 kW 和高達(dá) V直流=800V評(píng)估性能。

在圖4中，顯示了DAB相對(duì)于傳輸功率的效率。P 達(dá)到最大效率外= 110 kW 和 V直流= 500 V 的 η=98.24

%。對(duì)于輸出功率較低的工作點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)，效率會(huì)相應(yīng)下降。量熱測(cè)量允許進(jìn)一步分解不同的損失成分。因此，圖5顯示了DC2側(cè)電源模塊的損耗。達(dá)到ZVS的額定功率清晰可見，因?yàn)楣β誓K損耗變得最小。