【论文】基于1.2kV全SiC功率模块的轻型辅助电源

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基于1.2kV全SiC功率模块的轻型辅助电源
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
       对于应用在牵引系统中的辅助电源（Auxiliary Power Supply-APS）来说，高效率、小型化以及轻量化是非常重要的指标。另一方面，全SiC功率模块由SiC的MOSFET和SiC的SBD (Schottky Barrier Diode)组成，具有低损耗、高工作温度等特点，如果将其用于APS中，有助于提高产品的效率，实现产品的小型化和轻量化。本文介绍了基于最新1.2kV 全SiC功率模块开发的牵引用APS，凭借全SiC模块的优异特性，使得该APS的效率达到了97%以上。

1、APS的工作原理

图1为APS的系统原理图。APS系统包括MOSFET整流器、逆变器以及滤波电路，在电路中ACL电抗器和ACC电容器都为滤波器件，保证APS输出精确的正弦电压信号，LC滤波器用来滤除载波频率以保证50或者60Hz的信号通过。在总的APS系统损耗中，功率器件的损耗大约占50%，而ACL滤波电抗器的损耗大约占30%。
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图1  APS系统原理图

通过将APS中的传统功率模块换成最新的SiC功率模块，凭借全SiC功率模块低损耗的特点，可以提高MOSFET整流器和逆变器的工作频率。另外，LC滤波器的截止频率也可以提高，这意味着LC滤波器的容量将会降低，从而降低ACL和ACC滤波电路的损耗和重量。
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表1  APS产品的规格



2、基于1.2kV全SiC功率模块的APS设计

由于在新的APS系统中采用了更高的开关频率，死区时间在PWM脉冲中的占比变高，会使输出有效电压变低。为了满足APS输出三相415Vrms的需求，直流母线的电压至少需要保持在700VDC以上。
另一方面，由于系统回路内杂散电感的存在，在功率器件开关时会在模块主端子上产生尖峰电压，因此在传统的APS系统中不得已采用1.7kV的混合SiC模块，该模块由普通IGBT和SiC SBD组成。需要注意的是，与1.7kV功率模块相比，相同电流等级的1.2kV功率模块具有更低的饱和压降。
在新的APS系统中，设计者采用了最新的1.2kV全SiC功率模块，降低了系统的损耗，同时通过优化回路内的杂散电感来降低功率器件开关时候主端子上产生的尖峰电压。另外，由于采用了更高的开关频率，从而增强了直流母线电压的稳定性，在系统没有输出变压器的情况下使母线电压保持在较低的水平。
图3为新APS系统采用的1.2kV全SiC功率模块的外观，该模块为两单元半桥结构，每个单元由SiC的MOSFET和SiC的SBD组成。在新的APS系统中会用到7只该功率模块，其中4只用于H桥MOSFET整流器，另外3只用于三相逆变器，新的APS的输出容量为136 kVA。
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图3  1.2kV全SiC功率模块包括SiC的MOSFET和SiC的SBD

3、滤波电路的小型化

表2显示了采用1.7kV混合SiC功率模块和1.2kV全SiC功率模块的APS系统中一些主要参数的对比，包括模块的载波频率、滤波电抗器的体积和重量以及整流器和逆变器部分的总谐波失真度(THD)。
新的APS系统在MOSFET整流器和逆变器部分采用的开关频率约为5kHz，由于提高了开关频率使得整流器和逆变器部分的功率损耗增加，相应的散热设施的重量和体积也随之增加。因此，在这里设计者考虑了散热设备体积和重量的增加与滤波设备体积和重量的减少之间的折衷关系，对功率器件的开关频率进行了优化。
随着器件开关频率的升高，整流器部分的滤波电抗值和逆变器部分的滤波电抗值和电容值都能够降低。另外，与原产品相比，整流器输入电流的总谐波失真度可以降低为原产品的1/3。
另外，在逆变器的三相415V交流输出端，可以按照牵引系统的要求将总谐波失真度做的更低。与原产品相比，新的APS交流输出端滤波电路可以采用更小的滤波电抗和滤波电容，获得和原产品同样低的谐波失真度。
图4为新的APS与原产品的整流侧输入电流的波形对比，从波形上可以看出，新APS电流上的纹波要小于原产品。
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表2  滤波电路的体积和重量
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图4  整流侧输入电流波形

4、效率的提升

由于在新APS系统中采用了最新的1.2kV全SiC模块，使得器件的开关频率由约1kHz提升到了约5kHz，有效降低了电路中的纹波电流，从而降低了系统的损耗。图5为新APS与原产品在功率损耗方面的对比，从图上可以看出，新产品的总功率耗降低了40%，效率从95.6%提升到了97.3%。

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图5  功率损耗对比

5、结论

新的APS系统采用了最新的1.2kV全SiC功率模块，凭借其低损耗、高工作温度等特点，器件的开关频率得以提高。在本设计中，作者考虑到了高开关频率可以使滤波电路的体积和重量降低，但也会导致功率模块的损耗变高，因此对两者之间的关系进行了优化，使得新的APS与原有产品相比，功率损耗降低了40%，滤波电路的体积和重量降低了70%。
6、参考文献

【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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