第三代功率半导体碳化硅sic(siliconcarbide)具有高耐压等级、开关速度快以及耐高温的特点,能显著提高电动汽车驱动系统的效率、功率密度和可靠性。首先,设计了两电平三相逆变器主电路和带有保护功能的隔离型驱动电路,使用LTspice仿真分析了门极电阻对驱动性能的影响;其次,建立了逆变器的功率损耗与热阻模型,使用Icepak对散热器进行了散热分析;再次,讨论了PCB板寄生参数对主电路和驱动电路的影响,并提出了减少寄生参数的措施;最后,采用CREE公司的1200 V/40msicMOSFET制作了1台7.5kW的实验样机,并给出了测试结果。
机驱动逆变器是电动汽车驱动系统的重要组成部分,决定了整车的性能和可靠性。随着电动汽车的发展,对电力驱动的小型化、轻量化、高能效和可靠性提出了更高的要求'。由于驱动逆变器功率的增加,需要更高的直流母线电压,目前驱动逆变器的输入电压已经从300 v发展到了750V[2。 在此电压等级下,siMOSFET由于导通内阻较高会产生过大的导通损耗,而siIGBT又存在着电流拖尾问题,关断损耗过大。
在此电压等级下,siMOSFET由于导通内阻较高会产生过大的导通损耗,而siIGBT又存在着电流拖尾问题,关断损耗过大。
近年来,国内外对sic器件在电力电子变换器中的应用及存在的问题进行了一些研究
设计了一种准Z源逆变器,大大减少了电容和磁性元件的体积,并将效率提高到了97% ;文献[5l设计了一种基于封装集成技术的单相逆变器,通过良好的散热设计,将功率密度提高到了58.8W/in3;文献对sicMOSFET的驱动电路进行了设计,但电源和保护电路较为复杂;文献[7]研究了sicDC-DC变换器中寄生参数产生的振荡和电压应力问题,但是未给出PCB的布局方案。
本文采用sicMOSFET设计了三相逆变器的主电路和驱动电路,采用风冷散热进行了仿真计算,通过结构优化以减小PCB板的寄生参数,最后研制了1台7.5kw的实验样机进行验证。
1、逆变器电路设计
设计逆变器首先要从主电路开始,根据需求进行功率器件和直流侧电容的选型 驱动电路是逆变器的核心,需要完成隔离、缓冲、保护等功能,影响着逆变器输出波形的质量、效率和可靠性。
1.1、主电路设计
本文设计的sicMOSFET逆变器采用两电平三相电压型拓扑。主功率器件选用6只CREE公司的sicMOSFETC2M0040120D,其耐压为1 200V,输出电流可达40A。选择直流母线电容时,应考虑器件的开关频率。通常而言,同体积的电解电容容量较薄膜电容大很多,但是电解电容的ESR比薄膜电容高1个数量级。滤波电容的阻抗等于容抗加上自身ESR,所以在高频应用中,薄膜电容的整体滤波效果已经与电解电容相当此外薄膜电容具有更好的温度特性和频率特性,更适合电动汽车驱动中的应用。因本文设计的逆变器频率为100KHZ,所以采用薄膜电容作为主电容。根据文献[8]计算电容容量的方法,选择4只800V/10uF的薄膜电容。逆变器参数如表1所示。
1.2、驱动电路设计
由C2M0040120D的输出特性pl可知,sicMOS-FET的跨导比IGBT小,在IGBT常规的驱动电压10~15V的范围内,sicMOSFET的导通压降较高。为了降低导通压降,通常将sicMOSFET的驱动电压设置为18~20 V。另外,虽然sicMOSFET可以实现0 v关断,但是为了其快速关断的特性,一般使用-3~-5 V关断电压,避免快速开关干扰导致的sicMOSFET误触发。
由于门极电阻Rg决定了开关过程中的振荡过程和电容充电速度,因此本文使用LTspice软件对C2M0040120D在不同门极电阻下的开关工作特性进行了仿真分析。由图1可知,当Rg取5Ω时,即保证了开关速度,又对开关振荡进行了有效抑制。
为了保护控制电路和操作人员安全,同时提高设备的抗干扰能力,驱动电路应实现主电路与控制电路之间的隔离
本文采用了光耦驱动和整形放大两级驱动电路。隔离电源使用金升阳公司的A1212S-2WR2模块,将12V输入转化为隔离后的24V,并使用4.7
V稳压管得到+19.3
V/-4.7
V的驱动电压
光耦驱动使用Broadcom公司的ACPL-335芯片,它内部包含了短路检测、米勒嵌位和低压闭锁功能。整形放大使用IXDN609芯片,可以满足驱动电路高速、低延时和低输出阻抗的要求,最大输出电流9A,大于驱动峰值电流。驱动电路原理如图2所示
2、散热设计
散热设计是逆变器设计的重要环节之一,如果器件损耗产生的热量得不到有效散热,MOSFET的结温就会上升,导致器件性能和寿命降低,甚至永久损坏。因此,为了逆变器安全可靠地运行,必须对散热系统进行良好准确的设计
在中小功率逆变器中,通常采用风冷或者液冷的散热方式。通常,空气的导热系数比液体低得多,所以在相同体积下,液冷比风冷能带走更多的热量
但是,液冷的成本较高,且系统复杂可靠性低。由于sicMOSFET具有低损耗、耐高温的优点,因此本文采用风冷散热设计
2.1、sic器件损耗分析
在PWM控制的逆变器中,MOSFET的损耗主要为导通损耗pcond和开关损耗P.,其功率损耗计算方法见文献[12].由于功率损耗与MOSFET导通电阻有关,而导通电阻受芯片结温影响,计算较为复杂。本文使用CREE公司的在线仿真工具speed-Fit,其仿真电路参数设置及仿真结果如图3所示。逆变器6只1 200VSicMOSFETC2M0040120D的总损耗为187.45W。
2.2、散热器热阻计算
本文使用6063铝合金散热片,热源平均分布在散热片上。每个sicMOSFET与散热器之间使用陶瓷垫片实现绝缘。根据MOSFET和陶瓷垫片的数据手册,可以得到结壳热阻RJC=0.34℃/W,陶瓷垫片热阻R=0.11℃/W,导热硅脂热阻RCH,2=0.44℃/w。使用AnsysIcepak有限元软件对散热器进行热仿真,参数按照表2设置。
3、PCB设计
在相同耐压等级的器件中,sicMOSFET的寄生参数ciss、C、C等比IGBT的要小很多9,因此,sic器件的开关时间短,开关损耗低,但是对驱动电路和主电路的寄生参数更敏感。讨论了主电路的寄生参数对电路性能的影响在半桥电路开关过程中,关断的MOSFET相当于1个电容CU,开通的MOSFET相当于1个极小的电阻,它们与电路的杂散电感L:产生串联谐振,会在MOSFET两端产生很大的电压超调,甚至导致开关管击穿。
为了减少寄生参数的影响,驱动电路应尽可能靠近MOSFET的门极,并使用嵌位电路减小驱动电压的振荡。各芯片电源端需加入去耦电容,PCB板上下层之间走线应垂直布置。在主电路中,直流母线应平行对称布置,并且在每相桥臂两端并联薄膜电容可以减小PCB的杂散电感。
本文使用AltiumDesigner绘制了电路板,并使用AnsysQ3D分析了PCB板寄生参数。PCB采用双层板,上层为驱动电路,下层为功率电路布线。MOSFET位于PCB板下方,驱动电路与驱动电源分布在MOSFET上方。相较于排线式驱动与插接式驱动,本设计减小了驱动电路输出距MOSFET门极的距离,使得驱动电路的寄生电感最大值仅为10.42nH。两条直流母线平行分布在PCB板底面,利用互感减少部分寄生电感。此外,直流母线大面积覆铜减小了电流回路长度,其最大寄生电感折合为50.61nH三相输出直接从MOSFET引脚引出输出端子,其寄生电感最大值为11.11nH。4只薄膜电容分布在三相桥臂之间,尽可能地靠近上下开关管,对开关振荡有吸收作用PCB板寄生参数分析及PCB3D模型如图6所示
4、实验分析
研制的7.5kW三相sic逆变器实验样机及测试平台如图7所示。输入电压由电网经三相调压器再整流滤波后得到550 V直流电压,三相负载由3个8n电阻和200UH电感构成,驱动信号由TMS320F28335DSP板产生6路SPWM
实验波形及逆变器整体温度如图8所示
图8(a)是逆变器输出的线电流和线电压波形,由图可见,逆变器输出的线电压为220
V,三相电流只含有开关次谐波;图8(b)是下桥臂的驱动信号与MOS-FET开关波形,由于测量干扰,驱动信号产生了毛刺;图8(C)为下桥臂电压的上升沿和下降沿波形,可以看出sicMOSFET的开通时间与关断时间仅有30ns左右,比IGBT快了1倍;此外,功率管的开关振荡基本消除,且最大的电压超调仅有30V;图8(d)是使用FLUKETi25红外热成像仪拍摄的逆变器的整机温度,由图可见,在15℃环境温度下,逆变器最高温度为73.4℃,满足sicMOSFET稳定工作的要求
5、结论
碳化硅器件的低导通内阻、高耐压和高频的特点,使得电力电子变换器的效率和功率密度进一步提高,在电动汽车等领域有着广泛的应用前景。本文首先针对两电平三相逆变器拓扑进行了功率器件和电容选型,设计了适用于sicMOSFET的隔离型驱动电路,并确定了最佳的门极电阻参数;之后计算了逆变器的功率损耗并进行了散热分析,并使用Icepak有限元仿真软件进行了验证。考虑到寄生参数对电路的影响,本文在PCB布局方面给出了解决方案。7.5kWSic逆变器试验样机的开关频率为100KHZ,理论效率可达97.5%,并采用风冷散热,降低了体积和成本。实验结果表明,逆变器的主电路和驱动电路达到了设计目标,且散热器可以将器件温度控制在合理的工作温度下,满足长时间工作的要求的应用具有广阔的发展空间。
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