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用于轻型牵引车中储能系统的半导体解决方案介绍

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时间 : 2018-11-03 19:03 浏览量 : 23

IGBT

IGBT(绝缘栅双极晶体管)绝缘栅双极晶体管是由BJT(双极晶体管)和MOS(绝缘栅场效应晶体管)组成的复合完全控制电压驱动功率半导体器件,其具有两个MOSFET。 GTR的高输入阻抗和低导通电压降的优点。 GTR饱和电压降低,载流密度大,但驱动电流大; MOSFET驱动功率小,开关速度快,但导通电压降大,且载流密度小。 IGBT结合了上述两种器件的优点,具有低驱动功率和降低的饱和电压。适用于直流电压为600V及以上的转换器系统,如交流电机、逆变器、开关电源、照明电路、牵引驱动和其他领域。

igbt


用于轻型牵引车中储能系统的半导体解决方案介绍


想要满足这些特殊要求,可以使用基于锂离子牵引电池或超级电容器的储能系统,为了充分利用存储系统的能力,有必要采用合适的功率转换器,来同时管理充电和消耗中的能量流。这个要求与DC-DC转换器相关,DC-DC转换器必须在潜在的高工作温度下,处理大量的循环负载。

在没有电车电源的情况下,对于轻型牵引车临时操作能力的要求是常见的功能特性。在许多历史悠久的城市市中心地区,经常缺乏接触电车网基础设施,但是会经常使用这种运作模式。它也适用于分开线路之间的连接,也是在电力中断期间,紧急操作车辆所需的功能。此外,它还需要低噪音、高舒适度、零排放的运行,排除过去常用的柴油电动传动系统。

采用电动/电动混合方法则可满足上述的所有要求。

在这种要求下,采用牵引电池或超级电容器来做为能量存储系统,可为电力传动系提供调节的电力。

图1是电车的方案,其中电力转换器安装在列车顶部

在列车顶部单元的内部,是用于管理进出电池能量流的DC-DC转换器,是电力电子系统的一部分。

该转换器是一种紧凑的、通常采用强制风冷的动力装置。电气设备的发展重点,则是为使用牵引电池或超级电容器的电源转换器寻找最佳的解决方案。为满足这些需求,必须要符合以下几点规范:

1)在电车模式下,必须能够从直流电车系统中,充分控制能量存储器的充电。这与400VDC至1000VDC的输入电压范围相关。

2)在电池模式下,必须做好电流从电池到推进逆变器、辅助转换器和车辆电池充电器的良好控制。

3)在这两种模式下,即使暴露在相对较高的温度和强制空气冷却能力有限的情况下,也必须能够安全处理短暂但又具重复性的200kW负载突发至少60秒的时间。

4)实现高运行效率,同时在均匀的低重量下占用较小的体积。

为了满足规范1和2的要求,并且根据边界条件,直流斩波器需要考虑两种拓扑结构。

如果能量存储系统的运行值高于或低于电车电压水平,则必须使用2象限直流斩波器,适用方案如图2所示。

图2:2象限直流斩波器的拓扑结构

如果储能系统的电压始终低于电车电压,则最合适的是降压- 升压直流斩波器,如图3所示。

图3:降压 - 升压直流斩波器的拓扑结构

在电车模式下,转换器做为降压斩波器工作,提供的电压低于无轨电车内部系统的电车电源。在电池模式下,转换器用作升压斩波器,为电气系统提供高于存储系统输出的电压。

为了满足规范3和4,则需要合适的功率半导体器件。解决方案需要采用1700 V级IGBT模块,以支持足够的电流范围,拥有较低导通和开关损耗,以及具有低热阻的坚固封装。另外,还要求系统级的较佳成本和性能比。

属于PrimePACK™系列的IGBT模块配备了第四代IGBT/FWD芯片,是一种合适的解决方案。该IGBT模块系列包括1200 V和1700 V级半桥拓扑结构的IGBT,提供600 A至1400 A的标称电流。模块提供两种耐用的稳固封装,均配有集成的NTC传感器以撷取模块的底板温度。

如图4所示,这些组件专用于重载移动应用,并允许考虑为可扩展设计。

图4:采用热界面材料(TIM)的PrimePACK™ 2和3

为了实现IGBT模块的安全操作和全功率利用,需要选择合适的栅极驱动器。评估时,2ED250E12_F双通道IGBT驱动器以及增强级MA300E17,可用于帮助设计人员开发专用解决方案,两种器件都可以在图5中看到。

功率部分的热状况需要实施最精确的热测量到控制策略中,以在不超过规定的操作极限的情况下,最大限度地利用功率。

通常,散热器的表面温度已经使用外部温度传感器来进行监控。基于该反馈,转换器的功率输出已由控制系统进行调整。然而,IGBT模块的底板温度明显会更高,因此内部的敏感晶体管和二极管芯片的温度也会更高。出于安全原因,必须选择相当保守的温度值来触发转换器输出功率的降低。

图5:双通道驱动器2ED250E12_F和增压级MA300E17安装在相应的电源模块

为了获得更准确的信息,监测热负荷和触发过热保护的设计,应使用IGBT模块内部NTC测量的温度。

该方法提供了关于实际操作中半导体热负载更真实的观察,特别是如果精准地确定芯片温度和NTC读数之间的热相关性,便可以推断出静态操作下的稳固信息。

目前轻型牵引车中的牵引电池或超级电容器等储能系统的数量正在不断增加,可以保守地假设,对直流转换器功率容量的更高要求将成为趋势。同时,也存在降低其重量和尺寸的压力,以及包括更平稳的直流扼流圈。为了在不久的将来满足这些要求,新型IGBT模块将采用英飞凌.XT技术的第5代IGBT模块形式,将可提供绝佳的选择。

与现有模块相比,这些新型模块具有更高的性能。由于具有较低的总功率损耗,因此有更高25℃的结温Tvjopmax = 175℃,模块具有更高的功率密度。预计在相同的面积下,输出功率至少高出30%。因此可以设计出具有相同类型IGBT模块封装的更高性能转换器,从而减少重新设计和升级的工作量。

此外,由于先进的互连技术,基于。XT技术的内部模块结构,在功率和热循环负载方面,实现了显着更高的使用寿命。

从中期来看,评估重点是基于最近推出的Trench技术中,基于碳化硅(SiC)MOSFET功率组件的应用。由于这些组件的特殊性能,特别是与Si IGBT模块相比具有相当低的开关损耗,因此对采用这种功率组件的直流斩波器性能将有一些改进:

  • 开关频率超过20 - 30 kHz时输出功率更高,同时降低了斩波器的体积

  • 更高的效率和更低的能耗,对冷却系统的尺寸和结构产生积极影响

• 由于高开关频率,大大减小了无源组件的尺寸和重量,例如功率薄膜电容器和直流扼流圈

• 显着降低噪音

• 具有相同输出功率的转换器冷却要求将显着降低,从而减小散热器和风扇的尺寸和重量。反之亦然,具有相同尺寸的转换器预计具有更高的输出功率

专用电源单元必须能够正确运行能量存储系统,尤其是在敏感的移动应用中。除了电气性能、功率密度和效率之外,还必须特别注意循环负载产生的后果。除了优化冷却和控制功率流之外,现代功率半导体解决方案还可以减少损耗,从而减少有限空间内的功耗。宽带隙材料具有出色的电气性能,较高的开关频率有助于减少磁性组件中使用的材料量。尽管半导体开发方面的所有创新,适当的热设计,精确的温度测量和合适的热模型,仍然是电力电子组件开发流程的重要组成部分。

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