本文詳細介紹了一種使用并聯(lián)連接的碳化硅(SIC)MOSFET構建的25 kW雙有源橋(DAB)轉換器的設計與性能分析。在今年PCIM歐洲博覽會和會議上發(fā)表的一篇論文中，作者探討了針對中功率應用的離散解決方案的可行性。

　　離散器件與功率模塊

　　SiC MOSFET在電動汽車充電器和光伏逆變器等多個領域獲得了廣泛應用，主要是因為它們優(yōu)越的開關速度、效率和熱性能。盡管SiC MOSFET適用于廣泛的功率范圍，但準確建模其損耗對于充分展示其潛力至關重要。

　　然而，商業(yè)化的SiC MOSFET通常最大電流額定值約為120 A，盡管它們具有諸多優(yōu)勢。為了滿足高功率應用的性能要求，需要并聯(lián)的離散器件或功率模塊。

　　離散器件與功率模塊之間的選擇取決于性能、成本、尺寸和可靠性等標準。功率模塊由于其先進的集成設計，提供了理想的排列，具有最小的雜散電感、卓越的絕緣性和出色的熱特性。然而，這些優(yōu)勢伴隨著尺寸較大和成本較高的缺點。

　　相反，并聯(lián)連接的離散器件允許更具成本效益和緊湊的設計。這種方法在選擇半導體制造商產(chǎn)品組合中的電流額定值時提供了更大的靈活性，避免了過度增大尺寸而可能影響性能的需求。

　　并聯(lián)離散器件的挑戰(zhàn)在于需要精確對稱的功率和驅動布局設計，以確保均衡的電流分配。如果沒有這種對稱性，SiC器件的制造公差(包括閾值電壓和導通狀態(tài)電阻的變化)可能會導致電流分配不均。這些不均衡會影響導通和開關損耗，而后者對驅動布局的設計尤其敏感。

　　提議的DAB架構

　　所提議的DAB轉換器具有并聯(lián)連接SiC MOSFET的對稱門驅動布局。它專門設計用于管理25 kW的功率容量，輸入/輸出電壓范圍從300 V到600 V。此外，它以100 kHz的開關頻率運行。

　　DAB架構具有全橋轉換器，每個輸入和輸出端口的開關上并聯(lián)連接三個SiC MOSFET。所使用的器件是英飛凌科技的IMZ120R030M1H類型。設計優(yōu)先考慮驅動路徑的對稱性，以確保并聯(lián)器件之間的電流均勻分配。

　　如圖1a所示，DAB轉換器的功率部分集成了對稱的門驅動通路布局，確保信號線路長度相等及寄生參數(shù)均勻。此設計最小化了由于驅動布局不對稱而可能產(chǎn)生的電流不均衡。門驅動板和功率部分是模塊化的(見圖1b)，便于斷開和評估不同的驅動解決方案。

　　該轉換器還包括混合技術的直流鏈接電容器，既有薄膜電容器，也有多層陶瓷電容器(MLC)，以處理高電流額定值并改善開關性能。MLC電容器靠近SiC器件放置，以減少雜散電感。功率部分集成了預充電電路，以安全地給直流鏈接電容器充電，防止高浪涌電流。

　　DAB轉換器的整體架構(見圖1c)包括輸入和輸出端口的全橋功率部分，通過高頻變壓器與外部串聯(lián)電感連接。門驅動、測量和控制部分也集成在設計中。

　　驅動與測量部分

　　單個門驅動器控制每個開關的所有三個并聯(lián)連接的SiC MOSFET。門驅動器基于Analog Devices Inc.(ADI)的評估板，提供靈活的驅動解決方案，同時保持一致的功率部分設計。選用于性能分析的ADI評估板是MAX22701E，以其超高的共模瞬態(tài)抗擾度和集成的數(shù)字絕緣特性而聞名。

　　測量部分監(jiān)控DAB轉換器的電壓、電流和溫度，確保正確運行并提供故障保護。大部分測量組件來自ADI，包括電壓和電流測量、溫度監(jiān)控和門驅動器操作的相關組件。

　　控制部分使用STMicroelectronics的STM32G484微控制器定制設計。該部分位于兩個全橋之間，采用屏蔽電纜以減少電磁干擾。轉換器通過基于相移調制的開環(huán)控制系統(tǒng)進行管理。一個定制的MATLAB工具與微控制器接口，允許調整控制參數(shù)，如開關頻率、功率流向、死區(qū)時間和相位移。

　　性能分析

　　通過在不同工作條件下的實驗測試，分析所提議的DAB轉換器的性能。分析分為低功率(最高5 kW)和高功率(25 kW)測試，重點評估電氣和熱行為。

　　實驗設置包括多種儀器，以監(jiān)控SiC MOSFET的電氣和熱性能。主要組件包括：

　　兩個可編程直流雙向電源，為DAB轉換器的輸入/輸出端口供電

　　一個七通道功率分析儀，用于計算輸入/輸出功率和總體效率

　　一個1 GHz示波器，用于電壓和電流測量

　　輔助電源，用于為DAB轉換器控制和功率部分內的組件供電

　　兩個熱像儀，用于監(jiān)測散熱器上的熱梯度

　　一個數(shù)據(jù)記錄器，用于使用NTC熱敏電阻測量SiC器件的溫度

　　該設置允許在不同輸入/輸出電壓和功率條件下全面測試DAB轉換器的性能。

　　低功率測試

　　低功率測試專注于評估并聯(lián)連接的SiC MOSFET在一段時間內的熱分布。DAB轉換器在約5 kW的較低功率水平下運行，避免了強制冷卻的需要，從而能夠準確監(jiān)測熱梯度。測試了三種情況，將輸入和輸出電壓分別設定在450 V和500 V之間。

　　結果顯示，平行連接設備的門源電壓匹配良好，確認了對稱布局的有效性。熱成像揭示，器件之間的溫度不平衡極小，經(jīng)過20分鐘的運行后，最大梯度為2°C。這表明對稱設計有效地平衡了器件的熱和電氣應力。

　　高功率測試

　　高功率測試評估DAB轉換器在輸出功率達到額定25 kW時的性能。由于熱限制，測試在短時間內進行，直到SiC器件達到最高溫度70°C。輸入和輸出電壓設置為500 V，并在輸出功率為10、15和25 kW時進行測試。

　　結果表明，對稱布局在更高功率水平下繼續(xù)表現(xiàn)良好，沒有顯著的熱不平衡或驅動信號的不對稱性。在開關打開和關閉事件期間，門源電壓保持一致，熱梯度即使在功率增加時也維持在可接受范圍內。

　　對25 kW SiC基礎DAB轉換器的性能分析展示了使用并聯(lián)連接的離散SiC MOSFET在中功率應用中的可行性。門驅動路徑的對稱布局確保了器件之間的均衡電流分配，最小化了熱和電氣不平衡的風險。低功率和高功率測試驗證了轉換器的設計，表明它可以在多種條件下高效且可靠地運行。這項工作突顯了在中功率應用中離散解決方案的潛力，為功率模塊提供了一種具有成本效益和靈活性的替代方案。

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