【論文】基于1.2kV全SiC功率模塊的輕型輔助電源

小融一號

基于1.2kV全SiC功率模塊的輕型輔助電源

R.Nakagawa, Y.Fukuda,H.Takabayashi, T.Kobayashi, T.Tanaka

Mitsubishi Electric Corp.,

Itami Works, 8-1-1, Tsukaguchi-Honmachi, Amagasaki City, Hyogo, Japan

Nakagawa.Ryosuke@cb.MitsubishiElectric.co.jp

摘   要

       對于應用在牽引系統中的輔助電源（Auxiliary Power Supply-APS）來說，高效率、小型化以及輕量化是非常重要的指標。另一方面，全SiC功率模塊由SiC的MOSFET和SiC的SBD (Schottky Barrier Diode)組成，具有低損耗、高工作溫度等特點，如果將其用于APS中，有助于提高產品的效率，實現產品的小型化和輕量化。本文介紹了基于最新1.2kV 全SiC功率模塊開發的牽引用APS，憑借全SiC模塊的優異特性，使得該APS的效率達到了97%以上。

1、APS的工作原理

圖1為APS的系統原理圖。APS系統包括MOSFET整流器、逆變器以及濾波電路，在電路中ACL電抗器和ACC電容器都為濾波器件，保證APS輸出精確的正弦電壓信號，LC濾波器用來濾除載波頻率以保證50或者60Hz的信號通過。在總的APS系統損耗中，功率器件的損耗大約占50%，而ACL濾波電抗器的損耗大約占30%。

圖1  APS系統原理圖

通過將APS中的傳統功率模塊換成最新的SiC功率模塊，憑借全SiC功率模塊低損耗的特點，可以提高MOSFET整流器和逆變器的工作頻率。另外，LC濾波器的截止頻率也可以提高，這意味著LC濾波器的容量將會降低，從而降低ACL和ACC濾波電路的損耗和重量。

表1  APS產品的規格

2、基于1.2kV全SiC功率模塊的APS設計

由于在新的APS系統中采用了更高的開關頻率，死區時間在PWM脈沖中的占比變高，會使輸出有效電壓變低。為了滿足APS輸出三相415Vrms的需求，直流母線的電壓至少需要保持在700VDC以上。

另一方面，由于系統回路內雜散電感的存在，在功率器件開關時會在模塊主端子上產生尖峰電壓，因此在傳統的APS系統中不得已采用1.7kV的混合SiC模塊，該模塊由普通IGBT和SiC SBD組成。需要注意的是，與1.7kV功率模塊相比，相同電流等級的1.2kV功率模塊具有更低的飽和壓降。

在新的APS系統中，設計者采用了最新的1.2kV全SiC功率模塊，降低了系統的損耗，同時通過優化回路內的雜散電感來降低功率器件開關時候主端子上產生的尖峰電壓。另外，由于采用了更高的開關頻率，從而增強了直流母線電壓的穩定性，在系統沒有輸出變壓器的情況下使母線電壓保持在較低的水平。

圖3為新APS系統采用的1.2kV全SiC功率模塊的外觀，該模塊為兩單元半橋結構，每個單元由SiC的MOSFET和SiC的SBD組成。在新的APS系統中會用到7只該功率模塊，其中4只用于H橋MOSFET整流器，另外3只用于三相逆變器，新的APS的輸出容量為136 kVA。

圖3  1.2kV全SiC功率模塊包括SiC的MOSFET和SiC的SBD

3、濾波電路的小型化

表2顯示了采用1.7kV混合SiC功率模塊和1.2kV全SiC功率模塊的APS系統中一些主要參數的對比，包括模塊的載波頻率、濾波電抗器的體積和重量以及整流器和逆變器部分的總諧波失真度(THD)。

新的APS系統在MOSFET整流器和逆變器部分采用的開關頻率約為5kHz，由于提高了開關頻率使得整流器和逆變器部分的功率損耗增加，相應的散熱設施的重量和體積也隨之增加。因此，在這里設計者考慮了散熱設備體積和重量的增加與濾波設備體積和重量的減少之間的折衷關系，對功率器件的開關頻率進行了優化。

隨著器件開關頻率的升高，整流器部分的濾波電抗值和逆變器部分的濾波電抗值和電容值都能夠降低。另外，與原產品相比，整流器輸入電流的總諧波失真度可以降低為原產品的1/3。

另外，在逆變器的三相415V交流輸出端，可以按照牽引系統的要求將總諧波失真度做的更低。與原產品相比，新的APS交流輸出端濾波電路可以采用更小的濾波電抗和濾波電容，獲得和原產品同樣低的諧波失真度。

圖4為新的APS與原產品的整流側輸入電流的波形對比，從波形上可以看出，新APS電流上的紋波要小于原產品。

表2  濾波電路的體積和重量

圖4  整流側輸入電流波形

4、效率的提升

由于在新APS系統中采用了最新的1.2kV全SiC模塊，使得器件的開關頻率由約1kHz提升到了約5kHz，有效降低了電路中的紋波電流，從而降低了系統的損耗。圖5為新APS與原產品在功率損耗方面的對比，從圖上可以看出，新產品的總功率耗降低了40%，效率從95.6%提升到了97.3%。

圖5  功率損耗對比

5、結論

新的APS系統采用了最新的1.2kV全SiC功率模塊，憑借其低損耗、高工作溫度等特點，器件的開關頻率得以提高。在本設計中，作者考慮到了高開關頻率可以使濾波電路的體積和重量降低，但也會導致功率模塊的損耗變高，因此對兩者之間的關系進行了優化，使得新的APS與原有產品相比，功率損耗降低了40%，濾波電路的體積和重量降低了70%。

6、參考文獻

【1】T.Kobayashi, Y.Nakashima, K.Kaneko,Y.Yamashita, A.Murahashi: Energy Saving by Railway Inverter System with SiCPower Module, PCIM Europe(2012)p.547-553

【2】 A.Furukawa, S,Kinouchi, H.Nakatake, Y. Ebiike: Low on-resistance 1.2kV 4H-SiC MOSFETs integrated withcurrent sensor, ISPSD(2011) p.288-291

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