【论文】应用1200A/1200V碳化硅功率模块的500kW直流-直流变换器

应用1200A/1200V碳化硅功率模块的500kW直流-直流变换器

开发人员不懈的努力以最高的效率实现更高的变换器功率密度。考虑到减少二氧化碳排放与电能和材料的使用，提高转换器功率密度变得日益重要。

为了实现进一步的改进，特别是在直流-直流变换器的设计方面，碳化硅功率模块的应用被认为是关键。

作者

F. Sommer和M. Hiller，卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT)，卡尔斯鲁厄，德国

N. Soltau和S. Idaka， 三菱电机欧洲公司，拉廷根，德国

T. Hirai，三菱电机株式会社，福冈，日本

直流-直流变换器及其应用

为了提高功率密度，通常需要设计更高开关频率的功率变换器。在很多应用中，更高的开关频率会使滤波器更小，电感和电容值更低。尤其是16.7Hz，50Hz或者60Hz变压器应用中，优化的潜力是巨大的，因为变压器的尺寸和重量在很大程度上取决于其基本的工作频率。这就解释了工程师通过大功率直流-直流变换器间接地转换交流电压的动机，因为它能通过中频变压器提供电气隔离。目前，这类固态变压器是电网和铁路应用中探讨的重要课题[1] [2]。

大功率直流-直流变换器在各种应用中必不可少，比如电动汽车充电桩[3]、电池储能系统和光伏发电[4]、直流配电系统[5]或者牵引辅助变流器[6]。

至于电气隔离部分，直流-直流变换器中通常使用的是在相对较高的频率下运行的变压器。变压器电压和电流的固有频率与所使用的功率半导体器件的开关频率是相同或者相似的。功率半导体开关频率越高，变压器的体积就越小，因为所需的磁性材料越少。另外，随着频率提高，最终变压器磁芯所需要的磁性材料可以选用更高效或者更便宜的。

为了在不牺牲转换器效率的情况下最大限度地提高大功率DC-DC转换器的开关频率，SiC功率模块成为了更可取的方案，因为相比传统的IGBT技术，SiC功率模块的开关损耗更低。本文接下来将介绍一种使用了三菱电机的1200V/1200A碳化硅功率模块，额定功率为500kW的直流-直流变换器。

500 kW直流-直流变换器原理

此大功率直流-直流变换器选用的是双有源桥拓扑(DAB)结构。它具有电气隔离、能量双向流动和软开关等特点。基本等效电路如图1所示，由4个半桥通过中频变压器(MFT)互连组成。根据设定的不同，需要与变压器串联一个辅助电感，或者变压器自身漏感足够提供电感Lσ。改变这4个半桥的相移就可以控制DAB的能量流动。所得到的控制参数就是图1波形中的相位角度δ1，δ2 和φ。这种调制方式称为三重移相(TPS)调制，而最常用TPS调制是三角形和梯形调制[7]。

图1：三重移相调制时电压和电流波形等效电路图

然而，本文中仅使用了最简单的单重移相(SPS)调制方式。对于SPS，全桥(HB1~HB2、HB3~HB4)内的相移等于零(δ1 = δ2 = 0)，能量流动仅通过控制DC1和DC2间的相移φ完成。传输功率可以由式(1)和(2)计算得出[8]。

通过求解式(2)，可以计算出单重移相调制时双有源桥最大可传输功率，当φ=±π/2时，其值最大

由此可见，为实现双有源桥大功率，交流回路中漏感Lσ是关键的设计参数。在固定的开关频率下，其将会限制最大功率吞吐量。

双有源桥的硬件配置

为了测试双有源桥在高功率下的表现，测试电路的搭建如图2所示。核心功率器件是1200A/1200V FMF1200DX1-24A全碳化硅MOSFET半桥模块，它集成了短路检测和保护功能[9]。

图2：双有源桥测试电路搭建

由于纳米晶材料具有高饱和磁通以及低损耗，它常被用作中频变压器的磁芯材料。然而，本文所介绍的DC-DC变换器中的变压器采用由铁氧体制成的磁芯，即使与低频变压器相比，它也是一种经济高效的解决方案。得益于碳化硅功率模块的低开关损耗和由此产生的高开关频率，铁氧体磁芯材料可用于这种500kW转换器。此外，变压器使用带状绕组来实现低漏感和强迫风冷。中频变压器及其尺寸如图3所示。由此产生的漏感和磁化电感以及双有源桥的参数如表1所示。其中，漏感是关键参数。当VDC1≠VDC2时，漏感就会限制电流上升率。此外，根据式(3)可知，为了避免在给定的DC-DC变换器参数下功率降额，漏感必须小于3.5μH。

图3：中频变压器

表1：双有源桥和变压器参数

为了测量半导体器件的损耗，使用了测量DC1侧和DC2直流侧全桥的量热测量系统。分别测量每个全桥冷却板的入口温度Tin和出口温度Tout还有水流量Q，利用热容cp和水的密度ρ，所有全桥开关的损耗可以根据式(4)计算出来[10]，整体测量系统的搭建如图4所示。DC-DC变换器的输入和输出连接到同一个电源并供电。电源输出功率的对应着DC-DC变换器的损耗。因此，可以对DC-DC变换器进行精确的功率损耗计算。量热测量可以进一步区分DC1-侧、DC2-侧的功率模块损耗和变压器损耗。

实验结果

实验结果是在前面描述的硬件设置上获得的，如图4所示。对于这些测量，只是针对传输比为1即VDC1=VDC2的研究。原型样机的规格如表1所示。为了评估其性能，完成了在Pout=504kW、VDC=800V的条件下的测试。对双有源桥的全面分析在[11]中进行。

图4：量热测量系统测试功率模块损耗

在图5中，显示了双有源桥相对于传输功率的效率。当Pout=110kW、VDC=500V时达到最大效率，为η=98.24%。对于输出功率较低的工作点，由于无法实现零电压开关 (ZVS)，效率也会相应地下降。损耗测量允许进一步区分不同的损耗成分，因此，图6显示了DC2-侧功率模块的损耗。在额定功率下，随着ZVS的实现，功率模块损耗变为最小值[11][12]。

图5：双有源桥在不同母线电压下效率(传输比1:1)

图6：DC2侧功率模块的损耗测试

三菱电机大功率SiC功率模块

如前所述，碳化硅功率模块能够实现在20kHz开关频率下工作的500kW DC-DC变换器。对于变换器设计及其中频变压器，可以使用与传统硅钢相比磁芯损耗更低的铁氧体磁芯材料，并且与纳米晶磁芯材料相比更具成本效益。该项目中使用的三菱第一代1200A/1200V碳化硅工业电源模块使这个重大改变得以实现。

如今，三菱电机推出了第二代工业碳化硅功率模块[13][14]，其所有碳化硅产品线如表2所示。不同电压和电流额定值的碳化硅模块，可以用于设计有竞争力的直流-直流变换器，其应用非常广泛。

表2：碳化硅产品线

参考文献

[1] Allende, F. R., et. al., „Surveying Solid-State Transfomer Structures and Controls,“ IEEE Industrail Electronics Magazine, pp. 56-70, March 2020.

[2] Rongwu Zhu, et. al., „Operation and Control of the Smart Transfomer in Meshed and Hybrid Grids,“ IEEE Industrial Electronics Magazin, pp. 43-57, March 2021.

[3] Liserre, M., et al., „Multiwinding-Transformer-Based DC-DC Converter Solu- tions for Charging Stations,“ IEEE Electrification Magazine, pp. 5-9, June 2021.

[4] SMA Whitepaper, „How DC Coupling Can Increase the Efficiency of Power Plants,“ [Online]. Available: www.sma.de/en/products/dc-technology/sma-dc- dc-converter.html. [Zugriff am 15 August 2022].

[5] Cho, J., et al., „Demonstration of a DC Microgrid with Central Operation Strategies on an Island,“ in IEEE Third International Conference on DC Microgrids (ICDCM), Matsue, Japan, 2019.

[6] M. Ocklenburg, M. Döhmen, X. Wu und M. Helsper, „Next generation DC- DC converters for Auxiliary Power Supplies with SiC MOSFETs,“ in IEEE International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles International Transportation Electrification Conference (ESARS-ITEC), Nottingham, UK, 2018.

[7] N. Schibli, Symmetrical mulitlevel converters with two quadrant DC-DC feeding, Dissertation, Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, 2000.

[8] R. W. A. A. De Doncker, D. M. Divan und M. H. Kheraluwala, „A Three- Phase Soft-Switched High-Power-Density DC/DC Converter for High-Power Applications,“ IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 27, no.1, pp. 63-73, 1991 Jan 1991.

[9] F. Sommer, N. Soltau, F. Stamer, N. Menger, S. Idaka und M. Hiller, „Mirror Source based Overcurrent and Short Circuit Protection Method for High Power SiC MOSFETs,“ in PCIM Europe digital days, International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Moton, Renewable Energy and Energy Management, 2021.

[10] M. Sverko und S. Krishnamurthy, „Calorimetric loss measurement system for air and water cooled power converters,“ in 15th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), 2013.

[11] F. Sommer, N. Menger, T. Merz, N. Soltau, S. Idaka und M. Hiller, „Design and Characterization of a 500 kW 20 kHz Dual Active Bridge using 1.2 kV SiC MOSFETs,“ in International Power Electronics Conference (IPEC-Himeji 2022, ECCE Asia), Japan, 2022.

[12] F. Sommer, N. Menger, T. Merz und M. Hiller, „Accurate Time Domain Zero Voltage Switching Analysis of a Dual Active Bridge with Triple Phase Shift,“ in 23rd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE ‘21 ECCE Europe), 2021.

[13] N. Soltau, E. Thal und T. Matsuoka, „The Next Generation of SiC Power Modules,“ Bodo’s Power Systems, pp. 22-26, September 2019.

[14] R. Spenke, N. Soltau und T. Matsuoka, „Towards a Greener Future: Highly Efficient SiC Power Devices for Wide Application Range,“ Bodo’s Power Systems, pp. 18-25, December 2020.

关于三菱电机

三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。在2022年《财富》世界500强排名中，位列351名。截止2022年3月31日的财年，集团营收44768亿日元（约合美元332亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有60余年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。