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基于MOSFET低压逆变器设计的注意事项

已有3127次阅读2020-06-22标签:赛米控 逆变器 高压功率模块
 

 

随着乘用车的电动化,众多的应用开始采用零排放的理念。应用的多样性也意味着电机和控制器系统的多样性。例如,汽车或工业电力驱动、P0-P4轻度混合动力系统或液压泵的解决方案就对电机有截然不同的要求,用简单的kW值来衡量是不够的。逆变器的功能必须与整个车辆控制的架构、功率等级和车辆生命周期运行条件相匹配。


对于300V-900V电压的逆变器系统,有许多高压功率模块可供选择。但对于24V-144V的低压系统,情况就不是这样了。设计者面临着新设计从零开始的情况:除了一些显而易见的运行参数调整,机电设计更是一个挑战。如何设计功率线路?如何设计内部连接?如何进行热流设计和监测温度?如何优化导通和开关损耗?低压功率模块的缺乏有技术原因,现在也有了解决方案。下文将从两个方面讨论低电压MOSFET逆变器设计:寄生电感对性能的影响和热设计的重要性。




寄生电感对性能的影响



 

对比HV和LV逆变器的工作条件,低压模块较少的原因就很明显了。毫无疑问,HV逆变器确实能提供较高的功率。它们工作电压很高,通常比LV逆变器对应的电压高10倍。然而,高功率也需要高电流。HV和LV逆变器的额定电流相当。这些电流与系统组件的寄生电感相耦合,从而产生了电感存储的寄生能量。这些能量与电压无关,因此对于高压和低压系统来说是相等的。这些寄生能量需要在逆变器的开关过程中进行处理和耗散,从而产生开关电压尖峰。在高压逆变器中,由于半导体开关的额定电压较高,几百伏的电压尖峰通常是可以接受的。在低压逆变器中,功率半导体的电压裕度小了10倍左右,因此不可能处理相同量级的寄生能量。由传统半导体模块与外部电容组合而成的逆变器寄生电感实在太高,以至于它无法正常工作。这就是为什么低压 MOSFET模块不常见的原因。

 

由于缺乏现成的合格模块,低压MOSFET逆变器是由单独的组件构建而成的。低压逆变器功率部分的关键因素是寄生电感,DC-link电容器和MOSFET半桥电路之间的电气连接形成的电感。为了使其正常工作,MOSFET半桥电路和DC-link电容必须在电气上尽可能地接近,距离越小越好。除了寄生电感外,寄生电阻、分布电阻和平衡效应都能从小型化中获益。让新的逆变器设计尽可能地解决上述所有问题是一项复杂的任务,尤其耗费时间和成本。

 

图1:逆变器布局中寄生电阻和电感的回路概念图

 

SKAI 3 LV是应对上述挑战的最合适的产品。它包含了低压MOSFET功率模块,DC-link电容,功率布线,门极驱动器和封装外壳。它遵循了上述所有设计要求,系统只需要再增加一个控制板即可工作。




精确模拟系统温度的热模型



 

当逆变器设计完成后,接下来要关注、预测和控制的就是温度,它是平衡功率和寿命的工具。温度,尤其是功率半导体反复的温度变化对热应力的影响最大,从而决定了产品的寿命。寿命对温度变化的依赖性非常强,而且是高度非线性的。如果测量和估算温度误差有好几度,结果就是实际寿命和估算寿命之间的巨大差异。同时这也会导致逆变器尺寸过大、成本过高,或者导致系统压力过大,无法达到计划寿命。因此,精确模拟系统温度的热模型是必要的。在设计阶段,以电动汽车为例,它能帮助优化整个汽车系统中的逆变器集成、平衡输出功率,寿命和冷却系统设计。同样的模型在汽车以后的常规运行中,也可以用来计算关键系统的温度。

 

对于SKAI 3 LV,根据冷却条件和负载条件,推导出可以预测功率开关和电容器温度的热模型。如图2所示,即使在输出电流快速变化的情况下,与测量值相比,400秒后的精度误差也可达到<2℃。这样就可以评估所需的环境和冷却条件,并预测基于任何类型负载周期的可实现寿命。通过相同的基本模型,即使在高动态条件下,运行中的温度计算也是可能的,例如负载阶跃,来自单独的传感器的参考温度太慢也不准确。现在使用Foster模型方法,一种数学形式的模型,用户可以很容易在系统控制环路中实现精确的热计算。

 

图2:高动态负载周期下MOSFET和电容器的模拟温度

 

赛米控的SKAI 3 LV 第三代基于MOSFET的逆变器,在非常小的体积内提供高功率,同时为系统集成留下最大的灵活性。在功率损耗和温度计算模型的支持下,可满足广泛的应用要求。功率密度超过25kVA/l,总体积小于1.8l,该设计的标准外壳适用于大多数应用。如果客户对空间、冷却或电源连接器有特殊的设计要求,这个方案是个性化设计的完美起点。

 

客户的控制器和门极驱动器之间的接口简单易用,只需要一个13V电源。反馈的控制信号已经有电压标度。电流和温度传感器连接到单独的连接器,以保持电气隔离。

 

为了简化控制器和软件设计,我们提供了一个专用的外壳,在设计过程中可以方便地访问控制器-PCB,它已经实现了功率部分的全部功能。

 

SKAI 3 LV产品系列覆盖标称24V到144V DC的电池电压,涵盖了工业应用中的典型电池和大多数车辆的电池电压范围。


 

关于赛米控

赛米控成立于1951年,总部位于德国,是全球领先的功率模块和系统制造商之一。产品覆盖从芯片、分立器件、二极管、晶闸管、IGBT功率模块到系统和功率组件,主要应用于中等至大功率范围(约1kW-10MW)。赛米控的产品是能源控制和转换系统的核心器件,其业务重点包括电机驱动、电源、可再生能源(风能和太阳能)和多用途车辆等。赛米控的创新电力电子产品帮助客户开发更小,更节能的电力电子系统。
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