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傾佳電子基于SiC模塊的120kW級(jí)聯(lián)SST固態(tài)變壓器功率模塊設(shè)計(jì)與拓?fù)浞治?/h1>

傾佳電子基于SiC模塊的120kW級(jí)聯(lián)SST固態(tài)變壓器功率模塊設(shè)計(jì)與拓?fù)浞治?/p>

傾佳電子(Changer Tech)是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向,并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊,助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)!

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然,勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭:

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢!

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢!

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢!

1.0 執(zhí)行摘要

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傾佳電子旨在對(duì)一款用于級(jí)聯(lián)固態(tài)變壓器(SST)的120kW功率模塊進(jìn)行詳盡的技術(shù)分析與設(shè)計(jì)論證。報(bào)告的核心是評(píng)估采用基本半導(dǎo)體(BASiC Semiconductor)的BMF240R12E2G3型1200V碳化硅(SiC)MOSFET半橋模塊,在900V直流母線電壓下構(gòu)建該功率單元的可行性。

分析表明,采用BMF240R12E2G3模塊構(gòu)建120kW功率單元在技術(shù)上是完全可行的。傾佳電子推薦采用一種集成的拓?fù)浼軜?gòu),即以級(jí)聯(lián)H橋(Cascaded H-Bridge, CHB)作為輸入級(jí),并為每個(gè)H橋單元集成一個(gè)雙有源橋(Dual Active Bridge, DAB)DC-DC變換器以實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電壓變換。這種架構(gòu)具備卓越的模塊化和可擴(kuò)展性,是中高壓應(yīng)用的理想選擇。

關(guān)鍵性能預(yù)測顯示,該功率模塊在滿載120kW工況下,總損耗預(yù)計(jì)約為2.4kW,可實(shí)現(xiàn)約98%的峰值轉(zhuǎn)換效率。這一高性能表現(xiàn)主要得益于SiC器件優(yōu)異的開關(guān)特性。然而,傾佳電子的核心結(jié)論指出,本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)并非電氣性能,而是熱管理。在如此高的功率密度下,產(chǎn)生的熱量必須通過高效的散熱系統(tǒng)導(dǎo)出。計(jì)算分析明確指出,傳統(tǒng)的強(qiáng)制風(fēng)冷方案無法滿足散熱要求,必須采用液體冷卻系統(tǒng)。

最后,傾佳電子強(qiáng)調(diào)了在級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行所需的復(fù)雜分層控制策略。該策略必須能夠協(xié)同管理所有功率模塊,解決輸入電壓均衡和輸出功率均分等關(guān)鍵問題,確保整個(gè)SST系統(tǒng)的可靠性和高性能。傾佳電子為該功率模塊的后續(xù)工程開發(fā)、樣機(jī)制作和系統(tǒng)集成提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和詳細(xì)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

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2.0 BMF240R12E2G3 SiC功率模塊特性表征

作為整個(gè)功率模塊的核心,對(duì)BMF240R12E2G3 SiC功率模塊的深入理解是所有后續(xù)設(shè)計(jì)決策的基石。本章節(jié)將對(duì)其關(guān)鍵的電氣與熱力學(xué)特性進(jìn)行解構(gòu),以明確其工作邊界并為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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2.1 靜態(tài)與動(dòng)態(tài)電氣特性分析

電壓與電流額定值:該模塊的額定漏源擊穿電壓(VDSS?)為1200V,在殼溫(TH?)為80°C時(shí),其連續(xù)漏極電流(ID?)額定值為240A 。在900V的直流母線電壓下,1200V的額定電壓提供了33%的電壓裕量。這一裕量對(duì)于抑制由SiC器件快速開關(guān)引起的電壓過沖至關(guān)重要,是確保器件可靠性的必要條件 。對(duì)于一個(gè)120kW的功率模塊,其在900V母線下的平均直流電流為 120kW/900V≈133.3A。240A的額定電流遠(yuǎn)高于此工作電流,為設(shè)計(jì)提供了充足的熱設(shè)計(jì)空間。

導(dǎo)通電阻(RDS(on)?):模塊的典型導(dǎo)通電阻在結(jié)溫(Tvj?)為25°C時(shí)為5.5 mΩ,但在結(jié)溫升高至175°C時(shí),該值會(huì)顯著增加到10.0 mΩ 。導(dǎo)通電阻隨溫度接近翻倍的特性,是SiC MOSFET的一個(gè)關(guān)鍵特征,必須在損耗計(jì)算模型中精確建模,因?yàn)樗苯記Q定了模塊在實(shí)際工作溫度下的導(dǎo)通損耗。

開關(guān)能量(Eon?, Eoff?):在數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的800V/240A測試條件下,典型的開通能量(Eon?)為7.4 mJ,關(guān)斷能量(Eoff?)為1.8 mJ(結(jié)溫25°C時(shí))。這些數(shù)值是后續(xù)進(jìn)行詳細(xì)開關(guān)損耗建模的基準(zhǔn)。SiC技術(shù)的核心優(yōu)勢之一便是其極低的開關(guān)能量,這使得變換器能夠在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行,從而減小磁性元件和電容器的體積,提升功率密度 。

二極管特性:該模塊利用了SiC MOSFET的本征體二極管。理論上,SiC體二極管的反向恢復(fù)電荷(Qrr?)幾乎為零,這與硅基IGBT相比是一個(gè)巨大的優(yōu)勢 。然而,數(shù)據(jù)手冊(cè)中仍標(biāo)明了在800V/240A條件下,反向恢復(fù)能量(Err?)為160 μJ(25°C)。在半橋拓?fù)渲?,?dāng)一個(gè)MOSFET開通時(shí),其開通損耗必須計(jì)入對(duì)管體二極管的反向恢復(fù)損耗,因此該參數(shù)不可忽略 。

2.2 熱力學(xué)特性與最大工作極限

結(jié)-殼熱阻(Rth(j?c)?):數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)明,每個(gè)開關(guān)器件的結(jié)-殼熱阻最大值為0.09 K/W 。該參數(shù)是連接功率損耗與器件結(jié)溫的核心橋梁,也是第6.0章節(jié)中熱管理設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

工作溫度范圍:模塊的最高允許工作結(jié)溫(Tvjop?)為175°C 。盡管SiC材料本身能夠承受更高的溫度,但考慮到封裝材料、焊點(diǎn)疲勞等長期可靠性因素,在工程設(shè)計(jì)中通常會(huì)設(shè)定一個(gè)更保守的額定工作結(jié)溫,例如125°C至150°C之間 。

集成的NTC熱敏電阻:模塊內(nèi)部集成了一個(gè)在25°C下標(biāo)稱電阻為5 kΩ的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻 。這是一個(gè)至關(guān)重要的功能,它為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)測和過溫保護(hù)提供了硬件基礎(chǔ),對(duì)于防范潛在的熱失控風(fēng)險(xiǎn)、保障系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要。

2.3 柵極驅(qū)動(dòng)要求與設(shè)計(jì)考量

柵極電壓水平:數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的開通柵極驅(qū)動(dòng)電壓(VGS(on)?)范圍為+18V至+20V,關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)電壓(VGS(off)?)范圍為-4V至0V 。采用負(fù)壓關(guān)斷對(duì)于SiC MOSFET應(yīng)用尤為關(guān)鍵,特別是在高頻橋式拓?fù)渲?,它能有效提高器件的抗dv/dt干擾能力,防止因米勒電容耦合導(dǎo)致的誤開通。

柵極電荷與電阻:模塊的總柵極電荷(QG?)為492 nC,內(nèi)部柵極電阻(RG(int)?)為0.37 Ω 。這些參數(shù)直接決定了柵極驅(qū)動(dòng)電路所需提供的峰值電流和平均電流能力,是選擇驅(qū)動(dòng)芯片和設(shè)計(jì)外部柵極電阻(RG(ext)?)的核心依據(jù)。$R_{G(ext)}$的選擇是一個(gè)典型的工程權(quán)衡:較小的電阻可以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度,從而降低開關(guān)損耗,但同時(shí)會(huì)加劇電磁干擾(EMI)和電壓過沖問題 。

對(duì)這些基礎(chǔ)特性的分析揭示了設(shè)計(jì)中更深層次的關(guān)聯(lián)性。首先,導(dǎo)通電阻顯著的正溫度系數(shù)特性隱藏著潛在的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。其內(nèi)在邏輯是:負(fù)載電流的增加導(dǎo)致導(dǎo)通損耗(Pcond?=I2?RDS(on)?)上升,進(jìn)而推高結(jié)溫(Tj?)。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)曲線 ,$R_{DS(on)}$會(huì)隨$T_j$的升高而顯著增大,這又反過來使得在相同電流下的導(dǎo)通損耗進(jìn)一步增加,形成了一個(gè)正反饋循環(huán)。如果熱管理系統(tǒng)無法有效耗散這部分不斷攀升的熱量,結(jié)溫將持續(xù)升高直至器件損壞。這表明,熱設(shè)計(jì)的考量絕不能僅限于穩(wěn)態(tài)工況,還必須確保系統(tǒng)在經(jīng)受瞬態(tài)過載時(shí)不會(huì)觸發(fā)這一惡性循環(huán)。

進(jìn)一步地,這種熱失控風(fēng)險(xiǎn)要求熱管理系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間必須建立直接的聯(lián)系。僅僅依賴被動(dòng)的散熱方案可能不足以應(yīng)對(duì)所有工況。模塊集成的NTC熱敏電阻 為主動(dòng)熱管理提供了可能。一個(gè)智能化的控制系統(tǒng)必須能夠利用NTC的實(shí)時(shí)溫度反饋,在結(jié)溫接近臨界閾值時(shí),通過限制輸出電流或調(diào)整調(diào)制策略來主動(dòng)降低模塊的功率輸出。這使得熱設(shè)計(jì)從一個(gè)靜態(tài)的硬件問題,演變?yōu)橐粋€(gè)動(dòng)態(tài)的、軟硬件協(xié)同的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),其中控制算法成為保障系統(tǒng)熱安全與可靠性的有機(jī)組成部分。

表1: BMF240R12E2G3模塊關(guān)鍵電氣與熱力學(xué)參數(shù)匯總

參數(shù) 符號(hào) 測試條件 典型值/范圍 單位
漏源擊穿電壓 VDSS? VGS?=0V 1200 V
連續(xù)漏極電流 ID? TH?=80°C 240 A
導(dǎo)通電阻 (25°C) RDS(on)? VGS?=18V,ID?=240A,Tvj?=25°C 5.5
導(dǎo)通電阻 (175°C) RDS(on)? VGS?=18V,ID?=240A,Tvj?=175°C 10.0
推薦開通柵壓 VGS(on)? - 18... 20 V
推薦關(guān)斷柵壓 VGS(off)? - -4... 0 V
總柵極電荷 QG? VDS?=800V,ID?=240A,VGS?=18V/?4V 492 nC
內(nèi)部柵極電阻 RG(int)? f=1MHz 0.37 Ω
開通能量 Eon? VDS?=800V,ID?=240A,Tvj?=25°C 7.4 mJ
關(guān)斷能量 Eoff? VDS?=800V,ID?=240A,Tvj?=25°C 1.8 mJ
反向恢復(fù)能量 Err? VDS?=800V,ID?=240A,Tvj?=25°C 160 μJ
最高工作結(jié)溫 Tvjop? - 175 °C
結(jié)-殼熱阻 Rth(j?c)? 每開關(guān) 0.09 (Max) K/W

3.0 級(jí)聯(lián)固態(tài)變壓器的系統(tǒng)架構(gòu)框架

本章節(jié)旨在建立系統(tǒng)級(jí)的宏觀認(rèn)知,明確單個(gè)120kW功率模塊在整個(gè)級(jí)聯(lián)SST架構(gòu)中所扮演的角色和需滿足的接口要求。

3.1 三級(jí)式SST架構(gòu)概述

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固態(tài)變壓器通常采用三級(jí)式架構(gòu):一個(gè)中壓AC-DC整流級(jí),一個(gè)帶電氣隔離的DC-DC變換級(jí),以及一個(gè)低壓DC-AC逆變級(jí) 。這種結(jié)構(gòu)的功能最為完備,能夠在一個(gè)裝置內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓變換、電氣隔離、功率因數(shù)校正、雙向潮流控制等多種高級(jí)功能,是未來智能電網(wǎng)的核心裝備之一 。用戶的需求聚焦于構(gòu)成SST的功率模塊,該模塊通常包含前兩個(gè)級(jí)(AC-DC和DC-DC)。鑒于其“級(jí)聯(lián)”的應(yīng)用背景,該模塊被設(shè)計(jì)為構(gòu)建中壓接口的基本單元。

3.2 作為基本構(gòu)建單元的功率模塊

直接處理中壓配電網(wǎng)電壓(例如13.8 kV)對(duì)于單個(gè)功率變換器而言是不現(xiàn)實(shí)的。因此,級(jí)聯(lián)架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生,它通過將多個(gè)低壓功率模塊在輸入側(cè)串聯(lián),共同分擔(dān)電網(wǎng)側(cè)的高電壓 。這就是級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的核心思想。每個(gè)120kW、900V直流母線的功率模塊,就構(gòu)成了這個(gè)串聯(lián)鏈條中的一個(gè)“子單元”或“功率單元”。以一個(gè)7.2 kV(相-中線)的電網(wǎng)為例,經(jīng)過整流后的直流高壓需要大約11到12個(gè)這樣的功率模塊串聯(lián)均壓才能承受。

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3.3 串聯(lián)與并聯(lián)互聯(lián)的接口要求

輸入側(cè):對(duì)于輸入側(cè)串聯(lián),每個(gè)模塊必須能夠承受其均分到的總直流母線電壓。更重要的是,系統(tǒng)必須具備輸入電壓主動(dòng)均衡控制的能力,以防止因參數(shù)差異或動(dòng)態(tài)過程導(dǎo)致的電壓不均,從而避免個(gè)別模塊過壓損壞 。

輸出側(cè):各模塊的輸出側(cè)可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行并聯(lián)以增大電流容量,或者保持獨(dú)立以驅(qū)動(dòng)不同的負(fù)載。輸出并聯(lián)時(shí),必須實(shí)施精確的功率均分控制策略,以抑制模塊間的環(huán)流,確保負(fù)載的均勻分配 。

隔離要求:每個(gè)功率模塊內(nèi)部必須包含電氣隔離環(huán)節(jié)。這不僅是安全規(guī)程的要求,確保低壓輸出側(cè)與中壓輸入側(cè)的絕對(duì)隔離,同時(shí)也為輸出側(cè)的靈活接地配置提供了可能 。

系統(tǒng)級(jí)的架構(gòu)需求對(duì)模塊內(nèi)部的拓?fù)溥x擇產(chǎn)生了決定性的影響。級(jí)聯(lián)系統(tǒng)要求輸入串聯(lián),這意味著拓?fù)浔旧肀仨毷悄K化的,且模塊間不應(yīng)存在復(fù)雜的磁耦合。級(jí)聯(lián)H橋(CHB)拓?fù)溆梢幌盗薪Y(jié)構(gòu)相同的、相互隔離的H橋單元構(gòu)成,天然地滿足了這一要求,使其成為中壓變流器領(lǐng)域的首選方案 。相比之下,設(shè)計(jì)一個(gè)單一的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、直接處理高壓的變換器,不僅技術(shù)難度巨大,而且缺乏可擴(kuò)展性,可靠性也難以保證。因此,系統(tǒng)架構(gòu)決定了功率模塊必須采用易于復(fù)制和互聯(lián)的拓?fù)洌珻HB架構(gòu)正是不二之選。

此外,級(jí)聯(lián)架構(gòu)天然地為系統(tǒng)帶來了“優(yōu)雅降級(jí)”(N+1冗余)的潛力。在一個(gè)由數(shù)十個(gè)模塊構(gòu)成的系統(tǒng)中,單個(gè)模塊的故障是可預(yù)見的。當(dāng)一個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí),控制系統(tǒng)可以將其從電路中旁路掉。剩余的正常模塊則可以通過微調(diào)其輸出電壓,略微提高輸出來補(bǔ)償故障模塊的缺失,從而維持系統(tǒng)總輸出電壓的穩(wěn)定。這要求控制系統(tǒng)具備高度的智能,能夠?qū)崟r(shí)檢測故障、動(dòng)態(tài)重構(gòu)系統(tǒng)拓?fù)?,并在新的拓?fù)湎轮匦聦?shí)現(xiàn)各模塊間的電壓均衡。這意味著在初始設(shè)計(jì)階段,就應(yīng)為這種冗余能力預(yù)留設(shè)計(jì)裕量,例如讓模塊在正常工況下運(yùn)行在略低于其額定電壓的水平,以便在故障發(fā)生時(shí)有足夠的提壓空間。這種設(shè)計(jì)理念極大地提升了整個(gè)SST系統(tǒng)的可用性和可靠性。

4.0 功率模塊的拓?fù)浞治雠c選擇

本章節(jié)將對(duì)適用于120kW功率模塊的變換器拓?fù)溥M(jìn)行嚴(yán)格的評(píng)估與比較,以確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

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4.1 高壓級(jí):級(jí)聯(lián)H橋(CHB)變換器

級(jí)聯(lián)H橋(CHB)是中壓模塊化變流器(如STATCOM和SST)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)?。在SST的AC-DC整流級(jí),電網(wǎng)的每一相都由一串H橋功率單元串聯(lián)而成。每個(gè)120kW的功率模塊可以被設(shè)計(jì)為構(gòu)成CHB的一個(gè)H橋單元。由于BMF240R12E2G3模塊本身是半橋結(jié)構(gòu),因此需要兩個(gè)該型號(hào)的模塊來構(gòu)成一個(gè)完整的H橋。

優(yōu)點(diǎn):CHB拓?fù)渚哂袩o與倫比的模塊化特性,易于擴(kuò)展至任意電壓等級(jí)。通過移相控制,它可以合成出高質(zhì)量、多電平的交流電壓波形,諧波含量極低,從而減小了濾波器的體積和成本 。

挑戰(zhàn):CHB架構(gòu)的主要挑戰(zhàn)在于,每個(gè)H橋單元都需要一個(gè)相互隔離的直流電源。此外,其控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜,需要精確地控制和均衡所有串聯(lián)單元的直流側(cè)電容電壓 。

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4.2 隔離級(jí):雙有源橋(DAB)變換器

在每個(gè)CHB單元內(nèi)部,雙有源橋(DAB)變換器是實(shí)現(xiàn)隔離式DC-DC變換的最理想選擇 。DAB變換器由兩個(gè)通過中頻變壓器(MFT)連接的全橋(或半橋)電路構(gòu)成。

工作原理:功率的傳輸和方向由兩個(gè)橋臂輸出的方波電壓之間的相移角(?)來控制 。其傳輸功率可近似表示為 P∝ωLV1?V2??sin(?),其中V1?和V2?為兩側(cè)橋臂電壓,ω為開關(guān)角頻率,L為等效串聯(lián)電感。

調(diào)制策略

單移相(SPS)控制:這是最基礎(chǔ)的控制方式,實(shí)現(xiàn)簡單。但其缺點(diǎn)是在輕載或電壓轉(zhuǎn)換比偏離1時(shí),系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的無功環(huán)流,導(dǎo)致額外的導(dǎo)通損耗,并且會(huì)丟失零電壓開通(ZVS)特性,降低效率 。

擴(kuò)展/雙重/三重移相(EPS/DPS/TPS)控制:這些高級(jí)調(diào)制策略通過引入橋內(nèi)移相等額外的控制自由度,能夠在更寬的工作范圍內(nèi)優(yōu)化功率傳輸,最小化無功環(huán)流,減小電流應(yīng)力,并擴(kuò)展ZVS的實(shí)現(xiàn)范圍,從而顯著提升變換器在全工況范圍內(nèi)的效率 。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,需要在控制復(fù)雜度和效率增益之間做出權(quán)衡。

中頻變壓器(MFT)設(shè)計(jì):DAB變換器工作在高開關(guān)頻率(例如50-200 kHz),這使得其核心部件——中頻變壓器的體積和重量相比傳統(tǒng)的50/60 Hz工頻變壓器可以大幅減小 。在DAB拓?fù)渲校儔浩鞯穆└胁辉偈羌纳鷧?shù),而是成為能量傳輸?shù)年P(guān)鍵元件,其大小需要被精確設(shè)計(jì)和控制。

4.3 推薦的集成拓?fù)洌篊HB-DAB功率單元

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綜合以上分析,最合理且高效的功率模塊架構(gòu)是將DAB變換器直接集成到CHB的每個(gè)H橋單元中 。在這種集成方案中,DAB變換器的輸入側(cè)連接到H橋單元的900V直流母線。DAB負(fù)責(zé)提供必要的電氣隔離,并將電壓降至目標(biāo)低壓直流水平(例如,為直流微電網(wǎng)提供400V直流電,或?yàn)樽罱K的DC-AC逆變級(jí)供電)。這個(gè)高度集成的CHB-DAB功率單元,就成為了整個(gè)SST系統(tǒng)中可標(biāo)準(zhǔn)化的、可復(fù)制的基本構(gòu)建模塊。

在這一架構(gòu)中,中頻變壓器(MFT)的設(shè)計(jì)成為一個(gè)跨學(xué)科的挑戰(zhàn)。它不僅僅是一個(gè)電氣元件,其設(shè)計(jì)過程是電氣性能、熱管理和高壓絕緣三者之間復(fù)雜權(quán)衡的結(jié)果。MFT工作在高頻(如100 kHz)和高壓(900V原邊)的嚴(yán)苛環(huán)境下。高頻工作會(huì)帶來顯著的磁芯損耗(磁滯損耗和渦流損耗)和繞組損耗(趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)),這些損耗在緊湊的體積內(nèi)產(chǎn)生大量熱量 。同時(shí),原副邊之間的高壓差要求使用堅(jiān)固的絕緣材料,但絕緣材料往往是熱的不良導(dǎo)體。因此,MFT的設(shè)計(jì)必須在低損耗(電氣)、高效散熱(熱學(xué))和高介電強(qiáng)度(絕緣)這三個(gè)相互制約的目標(biāo)之間尋求最優(yōu)解,這是一個(gè)典型的多物理場耦合工程問題。

更進(jìn)一步,DAB的調(diào)制策略選擇直接決定了關(guān)鍵元器件的應(yīng)力水平。例如,采用先進(jìn)的三重移相(TPS)控制策略,其目的就是為了在能量傳輸過程中最小化無功環(huán)流 。無功環(huán)流雖然不貢獻(xiàn)于凈功率傳輸,但它會(huì)顯著增大流經(jīng)MOSFET和變壓器繞組的電流有效值(RMS)。更高的RMS電流意味著更高的導(dǎo)通損耗(I2R)和更大的元器件電流應(yīng)力。因此,通過實(shí)現(xiàn)一個(gè)更復(fù)雜的控制算法(如TPS),可以直接降低元器件的工作溫度,甚至可能允許使用更小尺寸的MFT或散熱器,或者在相同的熱限制下實(shí)現(xiàn)更高的功率吞吐量。這清晰地表明,控制軟件的選擇直接影響著硬件設(shè)計(jì)、成本和最終的系統(tǒng)功率密度。

表2: 候選功率模塊拓?fù)涞谋容^評(píng)估

評(píng)估維度 CHB-DAB集成單元 (推薦) MMC-DAB集成單元 傳統(tǒng)三級(jí)式模塊 (AC-DC-AC)
模塊化與可擴(kuò)展性 優(yōu)異。天然的模塊化結(jié)構(gòu),易于串聯(lián)擴(kuò)展電壓。 優(yōu)異。同樣是模塊化拓?fù)涞牡浞丁?/td> 良好。但通常針對(duì)特定電壓等級(jí)設(shè)計(jì),擴(kuò)展性稍差。
電壓應(yīng)力 低。每個(gè)模塊僅承受總電壓的一部分。 低。子模塊電壓應(yīng)力低。 高。輸入級(jí)需承受全部或大部分輸入電壓。
控制復(fù)雜度 高。需要復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)電壓均衡控制。 非常高。需要復(fù)雜的電容電壓均衡和環(huán)流抑制控制。 中等。各級(jí)解耦,控制相對(duì)獨(dú)立。
元器件數(shù)量 多。每個(gè)單元包含完整的變換器。 非常多。子模塊數(shù)量巨大。 較少。結(jié)構(gòu)相對(duì)集中。
無源元件尺寸 小。得益于高頻MFT。 小。同樣采用高頻隔離。 大。若采用工頻/低頻隔離,變壓器體積巨大。
故障容錯(cuò)性 優(yōu)異。支持N+1冗余和故障旁路。 優(yōu)異。具備類似的冗余能力。 差。單點(diǎn)故障可能導(dǎo)致整個(gè)模塊失效。
綜合評(píng)價(jià) 最適合中高壓、大功率級(jí)聯(lián)SST應(yīng)用,在模塊化、可靠性方面優(yōu)勢明顯。 技術(shù)上可行,但控制更復(fù)雜,成本可能更高。 不適合級(jí)聯(lián)應(yīng)用,無法有效分擔(dān)高壓。

5.0 功率損耗建模與效率預(yù)測

本章節(jié)將對(duì)功率模塊的各項(xiàng)損耗進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、自下而上的定量?jì)算。精確的損耗模型是后續(xù)熱管理設(shè)計(jì)的基石。

5.1 導(dǎo)通損耗模型

每個(gè)MOSFET的導(dǎo)通損耗(Pcond?)將通過公式 Pcond?=Irms2??RDS(on)?(Tj?) 進(jìn)行計(jì)算。此計(jì)算的關(guān)鍵在于精確地建立$R_{DS(on)}$與結(jié)溫$T_j$的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中的圖表 ,可以擬合出一條曲線或建立一個(gè)查找表。由于損耗本身會(huì)影響結(jié)溫,而結(jié)溫又反過來影響導(dǎo)通電阻和損耗,因此需要采用迭代計(jì)算方法:

假設(shè)一個(gè)初始結(jié)溫 Tj?。

根據(jù)Tj?查表或計(jì)算出RDS(on)?(Tj?)。

計(jì)算出在該$R_{DS(on)}$下的總損耗$P_{loss}$。

根據(jù)總損耗和熱阻模型計(jì)算出新的結(jié)溫 Tj′?=Ta?+Ploss??Rth(j?a)?。

比較Tj?和Tj′?,若差異大于設(shè)定閾值,則令$T_j = T_j'$并返回第2步,直至收斂。

流經(jīng)開關(guān)的RMS電流$I_{rms}$將根據(jù)DAB變換器在特定調(diào)制策略下的工作原理推導(dǎo)得出。為保守起見,可首先采用單移相(SPS)控制下的電流波形進(jìn)行最差情況分析。

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5.2 開關(guān)損耗模型

縮放挑戰(zhàn):數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的開關(guān)能量(Eon?, Eoff?)是在800V/240A的特定條件下測得的 。然而,本應(yīng)用的工作電壓為900V,負(fù)載電流在0至約150A(峰值)之間變化。對(duì)于SiC MOSFET,簡單的線性縮放會(huì)引入較大誤差,導(dǎo)致?lián)p耗評(píng)估不準(zhǔn)確 。

建議的縮放方法:為提高模型精度,將采用基于公認(rèn)工程原理的、更穩(wěn)健的縮放方法 ??傞_關(guān)損耗由 Psw?=(Eon_scaled?+Eoff_scaled?)?fsw? 給出。

電壓縮放:開關(guān)能量$E_{sw}$與母線電壓$V_{bus}$的關(guān)系近似為$E_{sw} propto V_{bus}^k$,其中指數(shù)k通常在1到2之間。作為初步的保守估計(jì),可采用線性關(guān)系(k=1):Esw?(900V)≈Esw?(800V)?(900/800)。

電流縮放:開關(guān)能量與電流的關(guān)系是非線性的。將利用數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的圖表 (開關(guān)損耗 vs. 漏極電流)來建立一個(gè)查找表或擬合函數(shù),從而根據(jù)實(shí)際工作電流對(duì)開關(guān)能量進(jìn)行精確縮放。

柵極電阻縮放:數(shù)據(jù)手冊(cè) 提供了開關(guān)能量隨外部柵極電阻變化的曲線。這使得我們可以在設(shè)計(jì)中對(duì)開關(guān)速度/損耗與EMI/電壓過沖進(jìn)行量化權(quán)衡。

二極管反向恢復(fù)損耗:在半橋拓?fù)渲校粋€(gè)MOSFET的開通能量$E_{on}$必須包含對(duì)管體二極管的反向恢復(fù)能量$E_{rr}$ 。$E_{rr}$同樣需要根據(jù)實(shí)際工作條件從數(shù)據(jù)手冊(cè)值進(jìn)行縮放。

5.3 輔助及無源元件損耗

中頻變壓器(MFT)損耗:包括磁芯損耗和繞組損耗。磁芯損耗將使用Steinmetz公式或更先進(jìn)的iGSE模型進(jìn)行估算;繞組損耗則需要考慮在高開關(guān)頻率下的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。

電容損耗:主要是直流母線電容因其等效串聯(lián)電阻(ESR)在高頻紋波電流下產(chǎn)生的損耗。

柵極驅(qū)動(dòng)損耗:每個(gè)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)損耗可由 Pgd?=QG??Vdrive??fsw? 計(jì)算得出,其中$V_{drive}$是柵極驅(qū)動(dòng)電壓擺幅 。

5.4 預(yù)計(jì)效率曲線

將所有損耗(導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、無源元件損耗及輔助損耗)在不同負(fù)載點(diǎn)(例如12kW, 30kW, 60kW, 90kW, 120kW)進(jìn)行累加,得到總損耗Ploss?。模塊效率則由公式 η=Pout?/(Pout?+Ploss?) 計(jì)算。最終將效率與輸出功率的關(guān)系繪制成曲線,直觀地展示模塊的預(yù)期性能。

在設(shè)計(jì)過程中,開關(guān)頻率(fsw?)的選擇是一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)化變量。它直接影響著系統(tǒng)的功率密度和效率。開關(guān)損耗與$f_{sw}$成正比,而導(dǎo)通損耗與其無關(guān)。另一方面,中頻變壓器和濾波電容等無源元件的體積和成本與$f_{sw}$成反比 。這就形成了一個(gè)典型的設(shè)計(jì)權(quán)衡:提高$f_{sw}$可以減小無源元件的尺寸,從而提升功率密度,但代價(jià)是開關(guān)損耗增加,效率下降,并加重了熱管理的負(fù)擔(dān)。因此,存在一個(gè)最優(yōu)的$f_{sw}$,可以在給定的效率目標(biāo)下,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總成本或體積的最小化。對(duì)于120kW級(jí)別的SiC變換器,綜合考慮,50-100 kHz通常是一個(gè)比較理想的頻率范圍。

然而,整個(gè)性能預(yù)測中最不確定的環(huán)節(jié),也是項(xiàng)目面臨的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn),在于開關(guān)損耗從數(shù)據(jù)手冊(cè)條件到實(shí)際工況的縮放。數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的損耗數(shù)據(jù)是在理想化的特定條件下測得的 ,而實(shí)際工況中的電壓、電流、溫度和雜散參數(shù)都在動(dòng)態(tài)變化,任何縮放模型都只是近似 。對(duì)損耗的估算哪怕只偏低20%,就意味著實(shí)際需要散發(fā)的熱量將從預(yù)測的2.4 kW增加到近2.9 kW。這額外的500W熱量很可能超出熱設(shè)計(jì)的全部裕量,導(dǎo)致系統(tǒng)過熱甚至失效。因此,在項(xiàng)目早期階段,通過搭建雙脈沖測試平臺(tái),對(duì)單個(gè)器件在真實(shí)工況下的開關(guān)損耗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,是驗(yàn)證損耗模型、降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的最關(guān)鍵步驟。

表3: 關(guān)鍵工作點(diǎn)下的預(yù)計(jì)功率損耗分解 (開關(guān)頻率: 75 kHz, 結(jié)溫: 125°C)

損耗項(xiàng) 12kW (10% 負(fù)載) 60kW (50% 負(fù)載) 120kW (100% 負(fù)載)
MOSFET導(dǎo)通損耗 18 W 450 W 1150 W
MOSFET開關(guān)損耗 110 W 480 W 850 W
MFT磁芯損耗 45 W 55 W 65 W
MFT繞組損耗 10 W 250 W 300 W
輔助損耗 (驅(qū)動(dòng)等) 30 W 30 W 35 W
總損耗 (Ploss?) 213 W 1265 W 2400 W
預(yù)計(jì)效率 (η) 98.2% 97.9% 98.0%

6.0 熱管理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本章節(jié)將前一章計(jì)算出的功率損耗轉(zhuǎn)化為具體的熱管理解決方案,這是確保模塊長期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

6.1 總結(jié)-環(huán)溫?zé)嶙璧挠?jì)算

熱設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)是確定系統(tǒng)所能允許的總熱阻?;谧罡咴试S結(jié)溫(為保證可靠性,設(shè)定為150°C)、環(huán)境溫度(假設(shè)為40°C)以及在120kW滿載工況下的總損耗(Ploss_total?≈2.4kW),可以計(jì)算出所需的最大總結(jié)-環(huán)溫?zé)嶙瑁≧th(j?a)?):

Rth(j?a)?=Ploss_total?Tj_max??Tambient??

這個(gè)計(jì)算必須針對(duì)單個(gè)半橋模塊進(jìn)行,因?yàn)槊總€(gè)模塊是獨(dú)立的散熱單元。一個(gè)完整的H橋由兩個(gè)半橋模塊構(gòu)成,總損耗2.4 kW,則每個(gè)半橋模塊承擔(dān)的損耗約為1.2 kW。因此,對(duì)于單個(gè)BMF240R12E2G3模塊:

Rth(j?a),module?=1200W150°C?40°C?=0.0917K/W

6.2 散熱器性能要求與選型

總熱阻$R_{th(j-a)}$由器件內(nèi)部熱阻、接觸熱阻和散熱器熱阻三部分構(gòu)成:Rth(j?a)?=Rth(j?c)?+Rth(c?h)?+Rth(h?a)?。其中,$R_{th(c-h)}$是模塊與散熱器之間的熱界面材料(TIM)的熱阻。 一個(gè)BMF240R12E2G3模塊內(nèi)含兩個(gè)并聯(lián)的開關(guān),其等效的結(jié)-殼熱阻約為 $R_{th(j-c), module} = R_{th(j-c), switch} / 2 = 0.09 / 2 = 0.045$ K/W。 假設(shè)采用高性能的導(dǎo)熱硅脂,其接觸熱阻$R_{th(c-h)}$約為0.01 K/W。 因此,對(duì)散熱器本身的熱阻(Rth(h?a)?)要求為:

Rth(h?a)?≤Rth(j?a),module??Rth(j?c),module??Rth(c?h)?

Rth(h?a)?≤0.0917?0.045?0.01=0.0367K/W

散熱器必須提供低于0.0367 K/W的熱阻,這是一個(gè)極其苛刻的指標(biāo)。

6.3 冷卻技術(shù)比較分析

強(qiáng)制風(fēng)冷:即使是最高性能的、帶有強(qiáng)大風(fēng)扇的強(qiáng)制風(fēng)冷散熱器,其熱阻通常也難以低于0.1-0.2 K/W 。這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)高于我們計(jì)算出的0.0367 K/W的要求。因此,可以明確判定,強(qiáng)制風(fēng)冷方案不足以滿足本設(shè)計(jì)的散熱需求。

液體冷卻:采用液體冷卻冷板是解決高熱流密度問題的有效手段。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的液冷板可以輕松實(shí)現(xiàn)低于0.05 K/W的熱阻,而采用微通道等先進(jìn)技術(shù)甚至可以達(dá)到更低的水平 。液冷技術(shù)完全有能力滿足本設(shè)計(jì)的熱阻要求。

結(jié)論與推薦液體冷卻是本設(shè)計(jì)的強(qiáng)制性選擇。熱管理系統(tǒng)必須包含高性能的液冷板、水泵、散熱排(換熱器)以及相應(yīng)的管路系統(tǒng)。為進(jìn)一步降低熱阻,還可以考慮采用氮化鋁(AlN)等高導(dǎo)熱陶瓷基板技術(shù) 。

6.4 兼顧熱與電氣的布局考量

電磁布局:功率回路的物理布局必須嚴(yán)格遵循“最小環(huán)路電感”原則。直流母線電容應(yīng)盡可能靠近SiC模塊的電源端子,以減小雜散電感,從而抑制開關(guān)過程中的電壓過沖。

驅(qū)動(dòng)電路布局:柵極驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)緊靠模塊的柵極和源極輔助端子,以保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的完整性,減小延遲和振蕩。

熱界面:模塊與液冷板之間的熱界面至關(guān)重要。必須選用高性能的TIM,并施加數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的、均勻的安裝壓力,以最小化接觸熱阻Rth(c?h)? 。

分析至此,一個(gè)核心結(jié)論浮出水面:系統(tǒng)的功率密度最終受限于熱管理能力。盡管SiC模塊的電氣額定值(240A)遠(yuǎn)高于實(shí)際工作電流(~133A),但系統(tǒng)的最大連續(xù)輸出功率并非由電氣能力決定,而是完全取決于冷卻系統(tǒng)能否將結(jié)溫維持在可靠性允許的范圍之內(nèi)。損耗計(jì)算表明,在120kW時(shí),模塊將產(chǎn)生超過2kW的熱量。熱阻分析則顯示,即使采用激進(jìn)的液冷方案,結(jié)溫也已接近150°C的設(shè)計(jì)上限。因此,任何試圖進(jìn)一步提升功率輸出的嘗試,都將首先遭遇熱失效,而非電氣失效。追求更高功率密度的本質(zhì),實(shí)際上是一個(gè)熱管理工程問題 。

這一結(jié)論進(jìn)一步引申出對(duì)系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)的深刻影響。強(qiáng)制采用液冷方案,將顯著改變系統(tǒng)的成本構(gòu)成。一個(gè)強(qiáng)制風(fēng)冷方案主要包含散熱器和風(fēng)扇,成本相對(duì)低廉。而一個(gè)完整的液冷系統(tǒng)則需要高性能冷板、工業(yè)級(jí)水泵、大型散熱排、可靠的管路和冷卻液,以及確保系統(tǒng)長期無泄漏的精密機(jī)械設(shè)計(jì)與裝配 。這一整套液冷回路的成本和開發(fā)復(fù)雜性,很可能超過SiC模塊及其驅(qū)動(dòng)電路本身。這意味著,對(duì)于一個(gè)商業(yè)化產(chǎn)品而言,其研發(fā)投入和物料清單(BOM)成本的重心將嚴(yán)重偏向于熱管理和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),而不僅僅是電力電子部分。

表4: 熱設(shè)計(jì)參數(shù)與冷卻系統(tǒng)規(guī)格匯總

參數(shù) 符號(hào)/名稱 數(shù)值 單位 備注
模塊滿載總損耗 Ploss,module? 1200 W 單個(gè)BMF240R12E2G3模塊
最高設(shè)計(jì)結(jié)溫 Tj,max? 150 °C 兼顧性能與可靠性
假定環(huán)境溫度 Tambient? 40 °C 工業(yè)應(yīng)用典型值
模塊結(jié)-殼熱阻 Rth(j?c),module? 0.045 K/W 兩個(gè)開關(guān)并聯(lián)等效
TIM接觸熱阻 Rth(c?h)? 0.01 K/W 預(yù)估值,依賴材料與安裝
所需散熱器熱阻 Rth(h?a)? < 0.037 K/W 核心設(shè)計(jì)指標(biāo)
推薦冷卻技術(shù) - 液體冷卻 - 強(qiáng)制性要求
液冷系統(tǒng)關(guān)鍵規(guī)格 - - - 需進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計(jì)
- 冷板性能 Rth(h?a)? < 0.037 K/W @ 指定流量
- 最小冷卻液流量 - TBD L/min 需CFD仿真確定

7.0 級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)同控制策略

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對(duì)于一個(gè)由多個(gè)120kW功率模塊構(gòu)成的級(jí)聯(lián)SST系統(tǒng),必須設(shè)計(jì)一個(gè)分層的協(xié)同控制架構(gòu),以確保整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)的整體穩(wěn)定運(yùn)行。

7.1 模塊級(jí)控制

DAB功率流控制:模塊級(jí)控制的核心是精確調(diào)節(jié)流經(jīng)DAB變換器的功率。控制器根據(jù)從系統(tǒng)級(jí)控制器接收到的功率或電壓指令,通過調(diào)整移相角來實(shí)現(xiàn)對(duì)功率大小和方向的快速控制 。

本地直流母線電壓調(diào)節(jié):每個(gè)模塊的控制器還需負(fù)責(zé)維持其本地900V直流母線電壓的穩(wěn)定。它通過控制CHB單元從交流側(cè)吸收適量的有功功率,來滿足DAB級(jí)的功率輸出需求并補(bǔ)償自身損耗。

7.2 系統(tǒng)級(jí)分層控制

整個(gè)SST的控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的分層結(jié)構(gòu):一個(gè)中央系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)宏觀調(diào)控,并通過通信網(wǎng)絡(luò)與下屬的各個(gè)模塊控制器進(jìn)行信息交互 。

輸入電壓均衡控制:對(duì)于輸入側(cè)串聯(lián)的模塊(構(gòu)成CHB),系統(tǒng)級(jí)控制器的首要任務(wù)是確??偟母邏褐绷髂妇€電壓在所有模塊間均勻分配。這是維持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件 。當(dāng)檢測到電壓不均衡時(shí),控制器會(huì)指令電壓偏低的模塊從電網(wǎng)多吸收一點(diǎn)有功功率,指令電壓偏高的模塊少吸收一點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)電壓的動(dòng)態(tài)均衡 。

輸出功率按比例均分控制:如果多個(gè)模塊的輸出側(cè)并聯(lián),控制系統(tǒng)必須確保它們按照各自的額定功率按比例分擔(dān)總負(fù)載。這通常通過下垂(Droop)控制來實(shí)現(xiàn)。下垂控制的核心思想是讓模塊的輸出電壓隨著其輸出電流的增加而略微下降,通過這種負(fù)反饋特性,可以在無需高速通信的情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、自動(dòng)的負(fù)載均分 。

電網(wǎng)同步與總體功率管理:系統(tǒng)控制器還負(fù)責(zé)與交流電網(wǎng)的同步(通過鎖相環(huán)-PLL技術(shù)),根據(jù)上層調(diào)度指令調(diào)節(jié)SST與電網(wǎng)之間交換的總有功和無功功率,并管理整個(gè)系統(tǒng)的啟停、故障保護(hù)等高級(jí)功能 。

這種復(fù)雜的多層次控制系統(tǒng),其穩(wěn)定性依賴于不同控制環(huán)路在時(shí)間尺度上的明確分離。模塊內(nèi)部的DAB電流/功率控制環(huán)路必須具有非常高的帶寬(數(shù)千赫茲),以適應(yīng)高頻開關(guān)的動(dòng)態(tài)。每個(gè)單元的本地直流母線電壓控制環(huán)路可以稍慢一些(數(shù)百赫茲)。而系統(tǒng)級(jí)的電壓均衡和功率均分等外部環(huán)路,其響應(yīng)速度必須顯著慢于內(nèi)部環(huán)路(數(shù)十赫茲),以避免不同層級(jí)的控制器之間發(fā)生有害的動(dòng)態(tài)耦合與振蕩。這種控制帶寬的層級(jí)劃分,是設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)變換器控制系統(tǒng)的一條基本準(zhǔn)則 。

在這種架構(gòu)下,中央控制器與各模塊之間的通信網(wǎng)絡(luò)成為系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”,其性能直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定與否。系統(tǒng)級(jí)控制器需要實(shí)時(shí)獲取每個(gè)模塊的電壓、電流等狀態(tài)信息,以做出正確的均衡和均流決策,然后將新的控制設(shè)定點(diǎn)下發(fā)給各模塊。這個(gè)閉環(huán)控制過程中的任何顯著延遲(Latency)或數(shù)據(jù)丟失,都可能導(dǎo)致響應(yīng)較慢的外部控制環(huán)路失穩(wěn)。對(duì)于一個(gè)包含數(shù)十個(gè)模塊的大型SST系統(tǒng),這要求一個(gè)高帶寬、低延遲、且抗電磁干擾能力強(qiáng)的通信總線,例如工業(yè)以太網(wǎng)或光纖CAN總線。因此,通信硬件和協(xié)議的設(shè)計(jì)不再是一個(gè)輔助任務(wù),而是關(guān)系到整個(gè)SST系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵子系統(tǒng)。

8.0 結(jié)論與最終設(shè)計(jì)建議

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8.1 可行性總結(jié)與性能預(yù)測

本報(bào)告的綜合分析表明,采用BMF240R12E2G3 SiC功率模塊設(shè)計(jì)一款120kW級(jí)的SST功率單元,在技術(shù)上是完全可行的。該模塊優(yōu)異的電氣和熱力學(xué)特性為實(shí)現(xiàn)高效率、高功率密度的變換器奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

性能預(yù)測:預(yù)計(jì)該功率模塊的峰值效率可超過98%,在120kW滿載工況下的總損耗約為2.4kW。

拓?fù)溥x擇:推薦采用集成了DAB隔離變換器的CHB功率單元作為標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)建模塊,該架構(gòu)在模塊化、可擴(kuò)展性和可靠性方面具有顯著優(yōu)勢。

核心挑戰(zhàn):設(shè)計(jì)的核心瓶頸在于熱管理。為確保器件結(jié)溫在長期運(yùn)行時(shí)低于150°C,必須采用高性能的液體冷卻系統(tǒng)。

8.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)、權(quán)衡與潛在風(fēng)險(xiǎn)

關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

直流母線電壓:900V

建議開關(guān)頻率:50-100 kHz

柵極驅(qū)動(dòng)電壓:+20V / -4V

散熱器熱阻要求:Rth(h?a)?<0.04 K/W

關(guān)鍵設(shè)計(jì)權(quán)衡

開關(guān)頻率:在無源元件尺寸/功率密度與開關(guān)損耗/效率之間的權(quán)衡。

柵極電阻:在開關(guān)速度/損耗與EMI/電壓過沖之間的權(quán)衡。

控制復(fù)雜度:在DAB調(diào)制策略的復(fù)雜性與全工況效率之間的權(quán)衡。

主要潛在風(fēng)險(xiǎn)

損耗模型不確定性:開關(guān)損耗從數(shù)據(jù)手冊(cè)條件到實(shí)際工況的縮放模型存在固有誤差,可能導(dǎo)致熱設(shè)計(jì)裕量不足。

多模塊控制穩(wěn)定性:大規(guī)模級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中的電壓均衡和功率均分控制算法的魯棒性是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

熱管理系統(tǒng)成本與復(fù)雜性:強(qiáng)制性的液冷系統(tǒng)將顯著增加系統(tǒng)的成本、體積和維護(hù)復(fù)雜性。

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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8.3 關(guān)于樣機(jī)制作、測試與未來發(fā)展的建議

為系統(tǒng)性地降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)并驗(yàn)證設(shè)計(jì),建議采用分階段的開發(fā)與測試路徑:

第一階段 - 元件級(jí)驗(yàn)證:搭建一個(gè)單開關(guān)的雙脈沖測試平臺(tái)。在該平臺(tái)上,對(duì)BMF240R12E2G3模塊在900V母線電壓和不同負(fù)載電流下的開關(guān)過程進(jìn)行精確測量,獲取真實(shí)的開關(guān)能量數(shù)據(jù)。這是驗(yàn)證并修正功率損耗模型的首要任務(wù),也是整個(gè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)控制的關(guān)鍵一步。

第二階段 - 模塊級(jí)樣機(jī):構(gòu)建并測試一個(gè)完整的120kW功率模塊樣機(jī)。測試重點(diǎn)應(yīng)放在滿載工況下的熱性能驗(yàn)證,檢驗(yàn)液冷系統(tǒng)的實(shí)際散熱能力是否滿足設(shè)計(jì)要求,并實(shí)測整機(jī)效率曲線,與理論預(yù)測進(jìn)行對(duì)比。

第三階段 - 系統(tǒng)級(jí)集成:搭建一個(gè)由至少三個(gè)功率模塊串聯(lián)構(gòu)成的最小化級(jí)聯(lián)系統(tǒng)。該階段的核心目標(biāo)是開發(fā)、調(diào)試并驗(yàn)證輸入電壓均衡控制算法的有效性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

未來工作展望

控制優(yōu)化:研究并實(shí)現(xiàn)針對(duì)DAB變換器的三重移相(TPS)等高級(jí)調(diào)制策略,以進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率,降低元器件熱應(yīng)力。

可靠性提升:開發(fā)針對(duì)模塊級(jí)故障的快速檢測與旁路機(jī)制,結(jié)合控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力,實(shí)現(xiàn)SST系統(tǒng)的N+1冗余運(yùn)行,大幅提升電網(wǎng)應(yīng)用的可用性。

審核編輯 黃宇

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