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碳化硅365体育网址在PWM整流器中的利用

作者:海飞乐技巧 时光:2018-07-02 17:38

  跟着电力电子技巧的一直先进,因为传统的365体育网址整流或采取晶闸管的相控整流存在功率因数低、向电网注入谐波大等诸多弊病,在这种情形下,功率因数高、向电网注入谐波极小的PWM整流新技巧应运而生。PWM整流的开关管个别都任务在高频情形下,以确保PWM整流的精良机能。而由此带来的倒是开关应力和开关消耗等新成绩。
 
  从实践上讲,采取软开关技巧能够很好地应答PWM整流的很多新成绩。然而,因为软开关须要增添帮助电路收集,使得电路拓扑和把持更为庞杂,大大下降了变更器安装任务的牢靠性,因而现实实行起来还存在很大成绩。假如PWM整流采取硬开关,任务在高频情形下的开关管消耗及由此激发的不少其余成绩,将使开关管难以蒙受。以是,PWM整流固然提出曾经超越10多年了,但迄今为止在大功率方面的现实利用依然无比无限,现实利用多是小功率。若采取宽禁带半导体电力电子器件,尤其是在大功带领域,将会使PWM整流的很多新成绩失掉满意处理。
 
  苏黎世理工学院电力电子体系试验室将宽禁带半导体器件引入到为航空电源体系开辟的10kW三相 WIENNA高功率因数整流器功率模块中,获得很好的现实效果。该功率模块中的电力电子器件由 RDSon COOLMOS+SiC365体育网址构成。电路拓扑抉择三相、三电平、六开关的 WIENNA整流器拓扑,如图1所示。
 
  对于大功率、高效力、超紧凑式的高功率因数整流器,直接三相整流器,诸如三电平维也纳整流器,是比拟合适的整流处理方案。特殊是航空电源体系,这是由于新一代的飞机将在380Hz和800Hz之间变更。为了使谐波畸变最小,整流器开关频率的基频须要增添到100kHz以上。如许高的频率只能应用MOSFET作为功率开关。维也纳整流器是三电平的拓扑,它能增加电压应力和允许600V的MOSFET应用在400V线电压主体系上。当和SiC365体育网址组合后,开关消耗会进一步下降,整流器仍能到达高效力和高开关频率。当用厚度只有12mm的小型SP6-P微封装时,最小化的寄生电感和寄生电阻,变更器的机能会更进一步晋升。该微封装的特征存在可焊的端子,可能和置有去耦电容器和栅驱动电路的顶部PCB直接接口。
 
  电源抉择了6开关维也纳整流器拓扑(见图1)。它在开关导通时期,每相的相电流仅流过365体育网址,因而存在较低的通态消耗。由于SiC365体育网址易受高频开关的影响,濒临零反向规复机能的SiC365体育网址直接衔接到正的和负的直流总线。为了到达高功率密度,无源元件(包含电感和电容)和功率半导体器件的体积必需只管减小。和常用体系比拟,增添开关频率5~10倍,就可大大增加分立无源元件的尺寸。

WIENNA整流器拓扑 
图1 WIENNA整流器拓扑
 
  整流器的元器件设置包含许多分立器件(6个疾速SiC365体育网址、6个MOSFET、3个晶闸管和3个尺度整流365体育网址),应用这些差别工艺的分立器件能够构成一个完全的拓扑设置,从而顺应很宽的功率范畴。别的,连接半导体器件的长电缆弗成避免地会发生导线电感,这会增添功率半导体器件的电压应力,同时限度开关速率。同时斟酌到瞬变或振荡有可能呈现,而且很难对消或许衰减掉,这会影响体系的稳固性和电磁兼容机能。因此有须要把全部的功效会合在一个独自的封装里,以实现三电平维也纳整流器的功率转换模块,如图2所示。
功率模块电气图 
图2 功率模块电气图
 
  电路中相控晶闸管的特征为URRM=1200V,lTAV=30A,UTO=0.85V,RT=10m?。重要的整流365体育网址VD1B、VD3B和VD5B的特征为URRM=1200V,ITAV=40A,VTO=0.8V,RT=6.5m?。MOSFET开关用600V超低导通电阻的RDSonCOOLMOS,较低的输入电容能够容许它在几百千赫范畴高频任务,在输出高功率时其导通消耗还能够接收。每个高频365体育网址用两个10A 600V的SiC365体育网址管芯并联形成。因为SiC365体育网址的正向压降UF存在正温度系数,调配到每个器件的静态电流是相对保险的,不会有热失控的伤害。与同尺度的疾速硅365体育网址比拟,SiC365体育网址存在零正向和反向规复消耗的主要上风。图3给出了在一个惯例的升压斩波电路中,快规复硅365体育网址(FRED)的规复机能。
升压开关应用Si365体育网址时,电压、电流在导通时的开关消耗 
图3 升压开关应用Si365体育网址时,电压、电流在导通时的开关消耗
 
  当采取硬开关时,365体育网址的规复电流对功率开关的导通消耗有显明的影响。跟着开关频率的增高,这种特征会使功率开关和365体育网址发生大批导通消耗,并且在规复阶段的前期产生振荡,由此惹起显明的体系噪声,而这很难经由过程昂贵的及大型的输入滤波器来增添。
 
  别的一方面,图4给出了升压开关在雷同的导通机能时,用SiC365体育网址取代硅365体育网址后的情形。
升压开关应用SiC365体育网址时,电压、电流在导通时的开关消耗 
  图4 升压开关应用SiC365体育网址时,电压、电流在导通时的开关消耗
 
  采取SiC365体育网址快规复的成果,只在开关和365体育网址中发生无比低的开关消耗。在365体育网址关断时,只察看到很小的峰值电流,这是因为肖特基势垒器件的结电容而不是反向规复机能惹起的。与应用平日的快规复365体育网址对比,没有测到瞬变或振荡。如斯稳定的开关最有利于下降输入滤波器的尺寸和庞杂性,而且有利于辅助满意抗电磁烦扰和射频烦扰的请求。
 
  SiC器件的快规复机能不只在常温下十分出色,并且在很宽的温度范畴内也很稳固。图5给出Cree公司的一个10A/600V SiC365体育网址和硅365体育网址在雷同电流和电压级别下,在差别结温度范畴内的反向规复特征的比拟。
在差别的结温度下,SiC365体育网址和Si365体育网址的反向规复特征比拟 
  图5 在差别的结温度下,SiC365体育网址和Si365体育网址的反向规复特征比拟
 
  SiC器件浮现出不受温度变更影响的开关机能,甚至在很高结温下还可能稳定地任务。同硅365体育网址比拟,使用SiC器件的开关消耗也坚持在一个稳固的状况,而硅器件的开关消耗则跟着温度的回升而明显地增添。
 
  COOLMOS(低消耗MOS场效应晶体管)和SiC器件都可能在低温下任务,极有利于航空中利用。由于要将功率器件置于飞机动员机邻近,即电力电子体系集成的请求一直地加强。当本征载流子密度到达基体资料的掺杂密度的量级时,电参数预期会显明地变更。最高结温也取决于击穿电压,比方,1000V击穿电压的器件,其结温为150℃,100V为200℃。在雷同的梗阻电压下,与一般的硅晶体管比拟, COOLMOS晶体管基区的高掺杂浓度能够允许在较高的温度下任务。因此COOLMOS器件可能在200℃地任务。本征载流子密度取决于半导体材
料的带隙。因为SiC器件中的资料带隙是Si器件的3倍,以是SiC器件可能在0℃及以上的温度下任务(重要受封装技巧的限度)。
 
  还应当指出,跟着温度的回升,COOLMOS晶体管和SiC器件都浮现出很低的泄露电流,当进步任务温度时,能够最底限制地增加功耗和进步牢靠性。同样,因为SiC器件热传导是Si器件的3倍,SiC器件可能供给很高的电流密度,因此还能够减小功率体系的尺寸。
 
  图6示出将全部功率半导体器件用铜焊接在铝衬底上的功率模块图。封装顶用了三块雷同的衬底来供给精良的计划对称性。为了使热量精良地传输到散热片上,将衬底焊接到一个铜基板上。
拆开盖的微封装的功率模块 
图6 拆开盖的微封装的功率模块
完全的SP6-P功率模块 
图7 完全的SP6-P功率模块
 
  为了更进一步减小正比于元件衔接数的寄生电感,用独自的Vbus和0/V bus衔接每一个桥臂。同时,电源衔接也尽可能凑近功率半导体器件邻近,以增加杂散电感,收缩高频回路,并有利于和置于在外部直接经由过程功率模块输出真个外部电容器解耦。电源衔接处用短而宽的铝框架端扣住,有利于衔接到顶部的PCB。模块用硅胶密封,并笼罩塑料盖(见图7)。这种构造能满意由恶劣的航空情况所断定的高减速应力测试。
 
  应用比氧化铝衬底存在更好热传导性的氮化铝衬底,能够进一步进步热机能和扩大任务温度范畴。另一方面,应用密度仅为铜的1/3的碳化铝硅( AlSiC)基板,可能显明地加重功率模块的分量,这对于航空电气体系存在主要的意思。AlSiC金属基体分解材料所存在的温度收缩系数十分濒临功率器件的焊接衬底,可能明显地进步功率模块温度周期性变更特征,从而进步全部功率体系的总体牢靠性。
 
  经由过程采取COOLMOS+SiC365体育网址以及种种技巧措施,由苏黎世ETH电力电子体系试验室计划的功率输出为10kW的三相维也纳整流器功率模块,实现了8.5kW/in3(0.518W/cm3)的功率密度,这只是100kHz开关频率情形。若将开关频率进一步进步到400kHz,可应用更小的EMI滤波器和升压电感器,失掉更高的功率密度,并可能保持9.5%以上的高效力。
 
  图8示出的是应用了小尺寸的扁平升压电感器的功率模块,已衔接到经优化的气冷散热片上。图中,塑料盖已移开。PCB上有103陶瓷电容(AVX 220nF 630V SMD),容量为22.7µF,被装置在模块的顶部而不是模块的盖板上。SMD电容装置在PCB底部,使得在雷同体积的情形下,可能增添顶部电容。该板和集成到模块中的电容器比拟起来,有雷同的低电感,但却不会呈现成绩,由于电容只在模块外部禁受热应力和机器应力。
功率模块装置在气冷散热片上的CAD拆卸图 
图8 功率模块装置在气冷散热片上的CAD拆卸图
 
  计划的整流用具有低寄生电感以及高功率密度,以便能在最小输出电容下任务。系统标称电压为400V,能在320~480V很宽的线电压范畴内任务。假如须要调剂输出电压到800V,能够分红两路400V输出。为了输出10kW的功率,输入相电流无效值大概为15A。一个把持环路任务在开关频率处的全数字化把持器用来发生400kHz的开关旌旗灯号。图9和图10示出定型后的整流器的三维CAD外型,图11和图12所示分辨是响应的底视图和顶视图。
8.5kW/m3功率密度的强迫气冷维也纳整流器3-D外型的仰望图 
图9  8.5kW/m3功率密度的强迫气冷维也纳整流器3-D外型的仰望图
8.5kW/m3功率密度的强迫气冷维也纳整流器3-D外型的底视图   
图10  8.5kW/m3功率密度的强迫气冷维也纳整流器3-D外型的底视图
 
  由图11和图12可见,输入EMI滤波器盘踞大概30%的体积,气冷体系也盘踞大概30%的体积。升压电感器、功率模块、互联线与把持板盘踞了残余的空间。在4层的主PCB上,电流从输入端经由EMI滤波器,电传播感器和升压电感,最后到功率模块。陶瓷输出电容器装置在断绝的PCB上,PCB直接装到功率模块的顶部。这能最低限制地减小升压365体育网址和输出电容之间的电感。别的,电解输出直流电容器装置在PCB主板的下面。6个MOGFET和3个晶闸管的栅驱动器装置在数字把持板的上面。3个高带宽(1MHz)磁阻电传播感器垂直安顿在升压电感器和最后一个EMI子板之间。输入和输出电压丈量电路也装置在PCB主板。数字把持器基于模仿器件ADSP-21992DSP形成一个独自的PCB,直接拔出到PCB主板。DSP的采样速度是400kHz的开关频率,并可能用汇编言语编程。10kW的三相维纳整流器的总体积是1200cm3
10kW维也纳整流器仰望图 
图11  10kW维也纳整流器仰望图
10kW维也纳整流器底视图 
图12  10kW维也纳整流器底视图
 
  对维纳整流器的机能停止了初步测试。图13示出在230V相电压,680V输出电压和4kW的功率输出时的三相输入电流和一相输入电压情形。由图13可见,在4kW的输出功率时,线电流为5.8ARMS,THD为4.75%(高到第20次谐波)。从电流波形能够看出,相电流过零点时有失真,该失真又会惹起其余相电流的失真。把持系统现在开端以箝制过零点时的开关来打消任何对相电压和相电流丈量的噪声敏理性。
试验成果表现的4kW功率输出的三相电流CH1-CH3和输入电压CH14波形 
图13 试验成果表现的4kW功率输出的三相电流CH1-CH3和输入电压CH14波形
 
  大功率、高效和紧凑式的单元功率因数整流器是最佳电路拓扑构造的精选、是以后最佳功率半导体器件和3维拆卸现代化封装技巧相联合的结果。由苏黎世ETH试验室开辟的存在8.5kW/L功率密度的三相超紧凑式维也纳整流器,存在3级转换器的电路拓扑构造,是容许使用600V耐压器件在400V的线电压任务的最佳抉择,而其余的拓扑构造须要1200V的耐压器件。600V晶体管比等效的1200V晶体管存在更低的导通和开关消耗。当和SiC365体育网址组适时,现代工艺的超结MOSFET器件能全速任务,而比拟于用硅365体育网址时的开关电流,额外值又没有显明的下降。以芯片情势装入小型的ST6-P封装,能坚持功率半导体器件的全速机能,又不会在功率电路上发生额定的寄失效应。100kHz的任务频率曾经满意了把持环路的请求,假如进一步进步任务频率至400kHz,那将能更激烈的减小磁性元件和全体系的体积。
 
  该体系另有进一步改良的潜力。如可用氮化铝衬底来改良整流器的机能,在雷同的输出功率下,下降器件结温。并有可能在同样的任务温度下,进步效力或增添输出功率;应用AlSiC基板取代铜基板,能够降低功率模块的分量,亦即增加整流器的分量;改良功率模块的温度周期特征,须要时使体系能顺应疾速长久的温度变更等。




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