基于SiC的优化2x250kW双逆变器

电动汽车随着汽车行业技术的进步 (HEV)，(EV) 和混合动力电动汽车 (HEV) 越来越受欢迎。交通系统的电气化过程需要大量电力。双逆变器技术已被用于满足这些要求 [2], [3]。双逆变器牵引系统有两种使用方式。在典型配置中，双逆变器用于驱动两个电机，但它也可用于背对背逆变器拓扑以提供双向电力传输 [1]。快速开关、低开关损耗和高功率密度都随着 WBG 功率器件的发明及其在功率逆变器设计中的使用而引入 [4]、[5]。由于它们能够在高温下工作，碳化硅 MOSFET 等 WBG 器件提供了简单冷却系统的额外好处。但是，由于开关速度快，这些器件具有较高的 dv/dt 和 di/dt，从而导致电磁干扰和器件故障[6]、[7]。逆变器的可靠性还受到结温升的影响。为了克服这些缺点，需要优化逆变器设计。

本文将讨论基于 SiC 的 2x250kW 双逆变器的设计。我们还将介绍热分析、新母线设计、直流链路电容器选择以及开关频率对逆变器性能的影响 [1]。原始文章可以在这里找到。

设计母线

碳化硅 MOSFET的特点是高开关频率和低损耗。应优化母线设计以减少杂散电感以支持这些特性。图 1(a) 和 (b) 显示了两种母线设计。在第一个 3 层母线设计中，我们可以看到叠层交流母线放置在两个直流母线的顶部。这种设计的优点是直流母线和功率模块之间的距离减少了，但层压面积也减少了，因为直流层必须与交流母线保持足够的间距。

图 1(b) 描述了第二种母线设计，交流母线在底部，两个直流母线在顶部。虽然在第二个设计中功率模块和直流母线之间的距离增加了，但层压面积增加了。结果表明，增加叠片面积可减少杂散电感，当比较两种设计时，第二种母线设计的杂散电感比第一种少 30%。

图 1：母线设计

热特性

由于传导和开关损耗，功率模块的结温会升高，这对逆变器的性能有重大影响。因此，控制结温至关重要，结温限制在 175ºC。为了将温度保持在可接受的限度以下，使用了有限的冷却剂，该冷却剂通过用导热膏粘合到功率模块的冷板运行，如图 2 所示。

图 2：冷板配置

图 3(a) 和 (b) 说明了逆变器在各种冷却剂温度和开关频率下的最大输出功率。从图3(a)可以看出，冷却液温度低、流量大时输出功率最高，冷却液温度升高时输出功率趋于下降，或在开关频率为0时冷却板中流量下降设置为 20kHz。这是由于冷板的热阻增加 [1]。图 3(b) 描述了在冷却剂温度保持恒定在 105 °C 时，不同开关频率和流速下的输出功率。如图所示，由于大的开关损耗，高开关频率导致低输出功率。虽然在高冷却剂流速下的低开关频率可最大化逆变器的输出功率，但也会导致输出纹波，

图 3：不同条件下的输出功率

开关频率和直流母线电容器

对于高功率密度，HT-3000 系列 1.2kV 半桥 SiC 模块 [8]、[9] 用于提议的逆变器架构。前面描述的优化母线设计最大限度地减少了杂散电感，并允许逆变器支持 250kW。如热特性中所述，低开关频率 (5kHz) 可提高输出功率，但会降低输出质量，因为低开关频率会导致直流链路和逆变器输出部分出现纹波。直流链路电容器用于解决此问题。冷却液温度保持在 90ºC，流速为每分钟 3 升。实验表明，低开关频率会导致更大的直流链路电容，这不仅会增加逆变器的成本，还会影响其功率密度。另一方面，高开关频率 (20kHz) 需要较小的直流链路尺寸，从而实现高功率密度。因此，在建议的优化逆变器中，开关频率设置为 20kHz，冷却液温度设置为 90ºC，流量设置为 3 升/分钟，功率密度设置为 60kW/L。图 4 描绘了双逆变器原型。双逆变器的参数如下表所示。

图 4：原型视图

表 1：原型的特征

结论

本文描述了 2x250kW 双逆变器的理想设计。母线的构建方式可以最大限度地减少杂散电感，从而使 SiC MOSFET 能够提供更低的开关损耗。还讨论了逆变器的热特性和开关频率对逆变器输出的影响。

　　审核编辑：汤梓红