基于SiC MOSFET的儲(chǔ)能變流器功率單元設(shè)計(jì)方法

高頻隔離型大容量?jī)?chǔ)能變流器的拓?fù)淙鐖D1所 示，該變流器采用模塊化級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)，可以通過(guò)串聯(lián) 相同的功率單元實(shí)現(xiàn)更高電壓等級(jí)，結(jié)構(gòu)更加靈活， 便于擴(kuò)大容量，單臺(tái)變流器的容量可達(dá)到兆瓦級(jí)別。采用高頻低損耗功率模塊SiC MOSFET，其最高工 作頻率可達(dá)幾百kHz，并且能夠滿足10%長(zhǎng)期過(guò)載 運(yùn)行以及20%過(guò)載運(yùn)行1 min以上的過(guò)載需求，可 以提高變流器開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而提高變流器的功率密 度。同時(shí)，從耐高溫角度看，與Si IGBT模塊相比， 其具有更高的熱導(dǎo)率和熱流密度，SiC MOSFET模 塊本身的溫度耐受能力提高，可以耐受高溫環(huán)境， 且散熱性能良好。基于SiC MOSFET功率模塊的使 用更有助于變流器的小型化、輕量化、高功率密度化設(shè)計(jì)。

受SiC MOSFET耐壓水平限制，采用若干功率單元高壓側(cè)串聯(lián)，低壓側(cè)并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以進(jìn)一步擴(kuò)大容量，形成低壓、大電流的直流端口。而當(dāng)大量功率模塊級(jí)聯(lián)時(shí)，串聯(lián)電壓分配不均容易造成器件過(guò)壓損壞，并聯(lián)電流不均衡會(huì)嚴(yán)重制約設(shè)備的容量提升。為了保證串聯(lián)功率模塊之間的均壓以及 并聯(lián)功率模塊之間的均流，分別采取了相應(yīng)的控制 策略。在串聯(lián)高壓側(cè)，功率單元的均壓策略分為靜 態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均壓。靜態(tài)均壓依靠單元內(nèi)部的風(fēng)扇 耗能實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)均壓通過(guò)軟件算法排序調(diào)制實(shí)現(xiàn)。高壓側(cè)功率單元內(nèi)部的高頻變壓器采用真空環(huán)氧澆注，以提高絕緣能力。并聯(lián)低壓側(cè)，采用功率均衡控制方法以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)均流。

高壓交流側(cè)功率單元由一臺(tái)高頻變壓器、兩組H橋及其之間的直流電容組成，低壓直流側(cè)功率單 元由一組H橋和直流電容組成。高壓交流模塊中直接與交流側(cè)相連的H橋?yàn)锳C/DC變換單元，高壓 交流模塊中與高頻變壓器相連的H橋、低壓直流模 塊的H橋以及高頻變壓器組成雙有源全橋型DC/DC變換。其中雙有源全橋型DC/DC變換拓?fù)?可有效抑制各級(jí)二倍頻功率波動(dòng)，獲得平穩(wěn)的電池 電流，延長(zhǎng)電池壽命。H橋中所有功率模塊由SiC MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1-2.功率單元的工作原理

本文所設(shè)計(jì)的SiC功率單元包含10 kV高壓交流模塊和750 V低壓直流模塊，兩個(gè)模塊均基于隔離型H橋拓?fù)?，如圖2所示，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

對(duì)于10 kV高壓模塊，開(kāi)關(guān)器件采用型號(hào)為CAS120M12BM2的SiC MOSFET，每個(gè)器件源漏 極電壓Vds=1.2 kV，每相采用15個(gè)模塊串聯(lián)為18 kV，10 kV端口相電壓峰值為8.2 kV，具有足夠的 絕緣裕度；整機(jī)總?cè)萘? MW，每個(gè)模塊容量為23.8 kW，按每個(gè)模塊輸出電壓700V計(jì)算，額定通流約34 A，遠(yuǎn)小于SiC MOSFET的額定電流120 A，具有足夠的通流裕度。

對(duì)于750 V低壓模塊，開(kāi)關(guān)器件采用型號(hào)為CAS300M12BM2的SiC MOSFET，每個(gè)器件源漏 極電壓Vds=1.2kV，遠(yuǎn)高于額定電壓750 V，具有足 夠的絕緣裕度。端口總?cè)萘? MW，每個(gè)模塊容量 為66.7 kW，按每個(gè)模塊輸出電壓700 V，額定通流約95.3 A，遠(yuǎn)小于SIC MOSFET的額定電流300 A， 具有足夠的通流裕度。

雙有源全橋型DC/DC變換采用單移相控制方 式，每個(gè)全橋斜對(duì)角對(duì)應(yīng)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的脈沖信號(hào) 相同，每個(gè)橋臂對(duì)應(yīng)的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的脈沖信號(hào)相差180°。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)改變兩個(gè)H橋之間移相角的大小，就可以調(diào)節(jié)傳輸功率的方向和大小，實(shí)現(xiàn)能量的雙向移動(dòng)。當(dāng)橋臂電壓相位超前于交流電網(wǎng) 電壓相位時(shí)，能量從直流側(cè)流向交流側(cè)，電池放電；當(dāng)橋臂電壓相位滯后于交流電網(wǎng)電壓相位時(shí)，能量 從交流側(cè)流向直流側(cè)，對(duì)電池進(jìn)行充電。其移相控制下電壓波形漏電感的電流如圖3所示，其中，移相角φ為功率傳輸過(guò)程中超前橋HB1與滯后橋HB2的相位差，Ts為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。

2. 儲(chǔ)能變流器功率單元關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2-1.低感設(shè)計(jì)

2-1-1 .換流回路雜散電感分析

以低壓側(cè)S22、S23關(guān)斷時(shí)換流過(guò)程為例，說(shuō)明 功率器件關(guān)斷電壓尖峰現(xiàn)象。圖4所示的回路A和 回路B中，S22、S23正在關(guān)斷。在換流過(guò)程中，通 過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的電流iS逐漸減小，而通過(guò)反向二極 管的電流iD正在增大?？焖俚碾娏髯兓饔玫搅鹘?jīng) 路徑和器件的寄生電感上，使其感應(yīng)出高頻電壓， 并形成換流回路。換流回路上感應(yīng)的電壓直流 母線電壓疊加，共同作用到功率器件S22、S23上， 導(dǎo)致過(guò)大的du/dt，即形成電壓關(guān)斷尖峰，尖峰電壓 表示為式（1）。

式中：Umax為關(guān)斷過(guò)電壓尖峰；為模塊支撐電容 充電電壓；L23 和 L24分別為功率器件和母排的等效雜散電感。

這種現(xiàn)象尤其發(fā)生在分布電感量大、負(fù)載電流大、功率開(kāi)關(guān)管電流下降時(shí)間短的情況下。降低寄生電感量是消除電壓關(guān)斷尖峰的有效方法。

2-1-2 .疊層母排設(shè)計(jì)

根據(jù)功率模塊結(jié)構(gòu)布局的不同，疊層母排有多種拓?fù)??？紤]換流回路雜散電感平衡問(wèn)題，本文采用的疊層母排為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由兩電平的正、負(fù) 銅排導(dǎo)體通過(guò)疊層結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)體間疊加絕緣材料進(jìn) 行熱壓處理構(gòu)成，其模型如圖5所示。

多電容并聯(lián)使得雜散電感支路增加且一致性變好，磁場(chǎng)抵消以降低回路電感。但隨著吸收電容數(shù)量的增加，電感見(jiàn)效的幅值減小，因此綜合考慮， 選擇4個(gè)吸收電容結(jié)構(gòu)。安裝電容組和功率器件的 疊層母排的三維結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

仿真提取疊層母排的雜散電感，高壓交流模塊的疊層母排雜散電感Lt_H=734 nH，低壓直流模塊的疊層母排雜散電感Lt_l=175 nH。查閱廠家給出的器 件數(shù)據(jù)手冊(cè)以及文獻(xiàn)，型號(hào)CAS300M12BM2和CAS120M12BM2的SiC MOSFET高頻寄生電感Lstray均為15 nH，二極管的雜散電感 為15 nH， 則高壓交流模塊換流回路（如圖4所示）的總雜散 電感 和低壓直流模塊換流回路的總雜散電感Ls_l分別為：

2-2.散熱設(shè)計(jì)

2-2-1 .功率器件熱損耗分析

對(duì)于大容量高頻器件SiC MOSFET，需要通過(guò) 合理的散熱設(shè)計(jì)保證其工作在允許的溫度范圍內(nèi)。熱源的基本參數(shù)如表2所示，由于功率模塊殼體直 接放置在散熱器上會(huì)有縫隙面，因此可以在裝配過(guò) 程中涂一層很薄的導(dǎo)熱硅脂，導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù) 為1 W/(m·k)。功率器件模塊安置于散熱器上的等 效熱阻分析如圖7所示。

圖7中，Ta為環(huán)境溫度，Tj(MOS)為SiC MOSFET結(jié)點(diǎn)溫度，Tc為功率器件模塊外殼溫度，Ts為散熱器表面溫度。Rthj-cMOS為SiC MOSFET的 管芯到外殼的熱阻，Rthc-s為外殼到散熱器的熱阻， 以上參數(shù)可以通過(guò)廠家提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)獲取，Rths-a為散熱器到空氣的熱阻，可以由散熱器自身傳熱熱 阻以及散熱器與空氣之間的傳熱熱阻相加計(jì)算。由圖7可知，Rthj-cMOS與Rthc-s串聯(lián)，然后不同橋臂熱阻并聯(lián)后，再與Rth_sa串聯(lián)，形成完整的功率單元熱 阻。綜合考慮功率密度、成本、環(huán)境等因素后， 本文選用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱方式。

2-2-2.散熱器設(shè)計(jì)

散熱器的尺寸布局要和疊層母排、器件擺放相配合，并受到散熱器材質(zhì)、工藝、磁片參數(shù)等因素影響。本文散熱器選用鋁合金材質(zhì)，具有重量輕、 散熱好等特性。材料表面越粗糙，表面輻射率越大， 導(dǎo)熱性能越差，不利于散熱，因此首選光面的鋁合 金。增大散熱面積有利于減小熱阻，因此增加翅片 的數(shù)量可以提高散熱效率，另一方面，磁片數(shù)過(guò)多 會(huì)導(dǎo)致散熱器尺寸變大，不利于功率單元的小型化、 輕型化設(shè)計(jì)，綜合考慮，磁片數(shù)量為15個(gè)。

高壓交流模塊中強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱器的總熱阻Rth_h=0.7944 ℃/W， 低壓模塊的散熱器 總熱阻Rth_l=0.7087 ℃/W。滿載時(shí)，SiC MOSFET的損耗約 為150 W，根據(jù)文獻(xiàn)提供的公式計(jì)算出功率器件最大容許熱阻為0.83 ℃/W，說(shuō)明散熱器選型滿足散熱需求。在仿真軟件中對(duì)一個(gè)散熱器以及4個(gè)SiC模塊進(jìn)行散熱計(jì)算，要求功率器件最大溫升值T≤40 K。為了簡(jiǎn)化分析，忽略熱輻射散熱，得到不同入口風(fēng) 速(v)下功率器件的溫升變化(?T)曲線如圖8所示。

從圖8中可以看出，在風(fēng)速小于2 m/s時(shí)，功 率器件的最大溫升隨風(fēng)速增大而迅速下降；風(fēng)速大 于4 m/s時(shí)，增加風(fēng)速對(duì)溫升減小的效果不再明顯。風(fēng)速為4 m/s時(shí)，功率器件的最大溫升滿足散熱需 求，因此確定流入散熱器的風(fēng)速不小于4 m/s。圖9為入口風(fēng)速為4 m/s時(shí)散熱器和功率器件的溫度分布圖，由圖可以看出，越靠近風(fēng)扇，功率器件溫度越低，最高溫度出現(xiàn)在風(fēng)冷出口處上的功率器件處；散熱器溫度分布也不均勻，靠近功率器件的部分溫 度比較高，最低溫度出現(xiàn)在風(fēng)冷入口散熱器翅片底部，溫度接近入口空氣溫度。

為滿足入口風(fēng)速≥4 m/s，本文選用兩只型號(hào)為PMD2406PMB1-A(2)的風(fēng)機(jī)，其單臺(tái)風(fēng)量Q1為56.5 CFM，等效入口風(fēng)速v為：

式中為風(fēng)機(jī)入口的截面積，考慮到模塊風(fēng)機(jī)輸出 風(fēng)量消納、不同位置模塊進(jìn)風(fēng)量不均衡性以及屏柜 的密封等問(wèn)題，屏風(fēng)機(jī)風(fēng)量Q2需大于模塊風(fēng)機(jī)風(fēng)量總和Q1s。

式中：k為裕度系數(shù)，暫定取值在1.2~1.5之間。

綜合考慮性能、成本、供期、市場(chǎng)占有量等方 面因素，選擇型號(hào)為R4D450-AK01-01離心風(fēng)機(jī)， 其工作特性曲線如圖10所示。

根據(jù)圖10所示的工作特性曲線，計(jì)算出風(fēng)機(jī)工 作在230/400V時(shí)的裕度系數(shù)k的計(jì)算公式為：

由上述計(jì)算結(jié)果可知：k的取值可滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

基于SiC MOSFET的儲(chǔ)能變流器功率單元設(shè)計(jì)如下所述，相應(yīng)的元件布局如圖11所示。

功率單元由模塊化SiC功率器件、高頻變壓器、 吸收電容、隔直電容、疊層母排、風(fēng)冷散熱器和金 屬機(jī)殼組成。金屬機(jī)殼分隔室設(shè)計(jì)，隔室通過(guò)風(fēng)冷 散熱器的風(fēng)道相互貫通，進(jìn)行對(duì)流換熱；隔室一內(nèi)，SiC功率器件置于風(fēng)冷散熱器表面，吸收電容列于 風(fēng)冷散熱器一側(cè)，通過(guò)疊層母排與SiC功率器件連 接，SiC功率器件驅(qū)動(dòng)電路、控制電路固定于金屬 機(jī)殼上，取電于連接吸收電容的開(kāi)關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)高 位取能；隔室二內(nèi)，隔直電容連接于模塊與高頻變 壓器之間，分別固定于金屬機(jī)殼上，高頻變壓器輸 出采用刀型觸頭結(jié)構(gòu)。交流側(cè)接口銅排置于功率單元前方，穿過(guò)霍爾傳感器后固定于前側(cè)面板上，高 頻側(cè)接口為高頻變壓器的次級(jí)輸出，即具有穿墻套 管結(jié)構(gòu)的刀型觸頭。疊層母排將吸收電容的正負(fù)極 端子連接至位于前方面板上的測(cè)量端子上，便于測(cè) 量電容電壓。

該方案使用疊層母排結(jié)構(gòu)，可降低回路雜感， 減小器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的過(guò)電壓水平。模塊風(fēng)扇在吸 收電容電壓高于一定值時(shí)自動(dòng)投入，風(fēng)冷散熱的同 時(shí)，還可保證在不控整流充電階段功率柜內(nèi)所有模塊之間的均壓。

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

搭建10 kV高壓交流模塊和750 V低壓直流模 塊樣機(jī)，并對(duì)功率模塊進(jìn)行對(duì)拖實(shí)驗(yàn)。對(duì)于10 kV高壓交流模塊，高壓交流單個(gè)模塊兩個(gè)H橋之間進(jìn) 行對(duì)拖，實(shí)驗(yàn)原理如圖12（a）所示。首先通過(guò)直 流電源給功率單元支撐電容C充電至額定工作電 壓，然后同步觸發(fā)兩個(gè)H橋，器件開(kāi)關(guān)頻率均為20kHz，由于兩個(gè)H橋的輸出幅值、相位相同，初 始電流I為0，然后通過(guò)移相控制調(diào)節(jié)兩個(gè)H橋的 輸出電壓相位差，電流I逐步增大直至運(yùn)行至滿功 率。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，模塊風(fēng)扇始終處于工作狀態(tài)。對(duì) 于750 V低壓直流模塊，低壓交流功率單元為兩個(gè) 模塊的兩個(gè)H橋之間進(jìn)行對(duì)拖，實(shí)驗(yàn)過(guò)程同高壓功 率單元，原理如圖12（b）所示。

高壓交流功率單元的對(duì)拖實(shí)驗(yàn)回路如圖13（a） 所示，電容充電電壓為720 V；低壓直流功率單元的對(duì)拖實(shí)驗(yàn)回路如圖13（b）所示，電容充電電壓為720 V。

圖14為高壓交流模塊對(duì)拖波形，高壓交流模塊 中H1橋的電壓有效值UH1為709.55 V，關(guān)斷電壓 尖峰小于733 V；H2橋的電壓有效值UH2為692.73 V，關(guān)斷電壓尖峰小于813 V；電流有效值為40 A。上述分析表明本文提出的疊層設(shè)計(jì)方案有效的減小 了雜散電感，提高了模塊抑制過(guò)電壓的能力。

在環(huán)境溫度為10 ℃，電流有效值為40 A，充 電機(jī)工作在720V/0.7 A的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，采用熱成像儀每運(yùn)行半小時(shí)測(cè)量一次各功率器件的溫度，得到 圖15。3.5 h后溫升逐漸趨于平穩(wěn)，各功率器件溫度最高不超過(guò)90 ℃，其中SiC功率器件的溫度不超過(guò)40 ℃，可見(jiàn)散熱效果明顯，滿足設(shè)計(jì)需求。

同理，圖16為低壓直流模塊對(duì)拖波形，低壓直 流模塊中模塊1的電壓有效值UHF為700.00 V，關(guān) 斷電壓尖峰小于753 V；模塊2的電壓有效值ULVDC為723.43 V，關(guān)斷電壓尖峰小于776 V；電流有效 值為130 A。同樣可見(jiàn)疊層母排具有比較好的應(yīng)用效果。

在環(huán)境溫度為10 ℃，電流有效值為130 A，充 電機(jī)工作在720V/2.4 A的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，采用熱成像儀每運(yùn)行半小時(shí)測(cè)量一次各功率器件的溫度，得到圖17。2.5 h后溫升逐漸趨于平穩(wěn)，各功率器件溫度 最高不超過(guò)70 ℃，其中SiC功率器件的溫度不超過(guò)50 ℃，可見(jiàn)散熱效果明顯，滿足設(shè)計(jì)需求。

4.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于SiC MOSFET的儲(chǔ)能變流器功率單元，包括10 kV高壓交流模塊和750 V低 壓直流模塊，適合于儲(chǔ)能變流器的集成化、模塊化 發(fā)展。并重點(diǎn)針對(duì)功率單元的低感和散熱進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到以下結(jié)論。

1）功率單元由模塊式SiC功率器件、高頻變壓 器、吸收電容、隔直電容、疊層母排、風(fēng)冷散熱器 和金屬機(jī)殼等組成。結(jié)構(gòu)對(duì)稱，拆裝維護(hù)方便，且 便于進(jìn)一步擴(kuò)大容量。

2）疊層母排的應(yīng)用可以改善器件的開(kāi)關(guān)特性， 有效減小換流回路的雜散電感，并且使得功率單元 整體結(jié)構(gòu)緊湊，提高其集成度，具備良好的電磁兼 容特性。

3）采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)，選用合適的風(fēng)機(jī)和 散熱器，保證散熱需求，延長(zhǎng)器件使用壽命。風(fēng)機(jī) 控制策略還可保證不控整流充電階段功率柜內(nèi)所有 模塊之間的均壓。

審核編輯：湯梓紅