杏彩体育网页版基于SiC MOSFET的储能变流器功率单元设

作者：小编发布时间：2024-09-20 03:59:55点击：

杏彩体育官网跟着储能变流器向大容量、模块化繁荣，碳化硅（SiC）器件因为其低损耗、耐高温的性格，渐渐成为切磋热门。然而SiC器件过高的开合速率使其对电道中杂散电感尤其敏锐，而且高温运转处境也会对器件历久安笑牢靠的运转带来影响。于是针对基于SiC的储能变流器功率单位，中心切磋了其低感安排和散热安排格式，并提出了功率单位的团体安排计划。通过优化叠层母排的构造，将高压交换模块与低压直流模块的杂散电感差异下降至794 μH和235 μH，有用减幼功率单位的合断过电压。通过热切磋，确立了散热计划，使器件正在运转经过中的最高温度不进步50℃。结尾，搭修了功率单位样机并实行对拖实行，验证了叠层母排构造优化安排和功率单位散热安排计划的有用性。

储能变流器行动储能体系和微电网之间的接口，能够达成电能的通报和变换，拥有削峰填谷、负荷掌握、应急电源、并离网切换、孤岛运转等功用，正在新能源发电的趋向下是来日电力体系的中心繁荣配备。跟着储能变流器向大容量、模块化繁荣，其普通采用基于DCAC变换器与DC/DC降压变换器的双极式构造。正在功率器件的抉择上，与硅IGBT比拟，碳化硅MOSFET拥有开合频率更高、开合损耗更低和运转结温更上等特质。但受到硅原料自己性格的局限，硅造器件已亲近繁荣上限，碳化硅（SiC）器件将成为器件繁荣的新目标。比较硅原料，其正在能量损耗、发烧量、运用频率以及电流密度等方面均拥有彰彰上风，正在雷同功率等第下具有更幼的体积，且更适合正在高频下运用。美国的Cree、日本的富士和ROHM等公司一经推出SiC功率单位，并正在光伏、电动汽车等范畴最先利用。国内仅有一面厂家运用TO-247封装的SiC功率器件安排功率单位，然则此类器件功率很幼，由此组成的功率单位不适合利用正在大功率储能变流器中。跟着储能变流器功率单位向着高度集成化、高职责频率和大容量繁荣，对SiC器件组成的储能变流器功率单位的切磋及安排拥有紧张事理。

因为SiC功率器件拥有高开合速率，会爆发比IGBT更高的di/dt和du/dt，从而更容易崭露更高的合断过电压、更大的开合振荡以及更高的职责温度等题目，于是功率单位的低感安排和散热安排尤为紧张。针对低感安排，普通采用叠层母排减幼杂散电感。文件提出了一种叠层母排分组相联构造，减幼了电解电容发烧题目。文件提出一种四层母排器件对称陈设的体例达成低感安排。文件作战了探求自感和互感的叠层母排数学模子，并对叠层母排参数和组织体例实行优化安排。固然目前有较多文件针对SiC功率器件实行杂散电感剖释，然则欠缺基于SiC MOSFET的储能变流器功率单位的低感安排。针对散热安排，普通采用将模块贴正在散热器上，再通过风冷或者水冷体例实行散热。文件提出了一种将芯片通过金属镀层和热介质原料直接相联到Si基微通道的新型构造，从而毁灭了模块多层构造的局限，普及了芯片的散热功用。文件针对SiC MOSFET强迫风冷逆变器的散热器给出了安排思绪。

本体裁系地切磋了基于新一代功率器件SiC MOSFET的储能变流器功率单位安排格式，拥有较强的表面性和施行性，特别适合正在新能源发电中应用。最初单纯先容了功率单位的电道道理，其次利用叠层母排达成了低感安排，然后对功率单位实行强迫风冷的散热安排，并基于COMSOLMultiphysics软件实行仿真计较，给出了实用的计划。结尾搭修了实行样机实行验证，注明功率单位安排计划的有用性。

高频分开型大容量储能变流器的拓扑如图1所示，该变流器采用模块化级联安排，能够通过串联雷同的功率单位达成更高电压等第，构造尤其轻巧，便于扩展容量，单台变流器的容量可抵达兆瓦级别。采用高频低损耗功率模块SiC MOSFET，其最高工作频率可达几百kHz，而且可能餍足10%历久过载运转以及20%过载运转1 min以上的过载需求，可以普及变流器开合频率，进而普及变流器的功率密度。同时，从耐高温角度看，与Si IGBT模块比拟，其拥有更高的热导率和热流密度，SiC MOSFET模块自己的温度耐受才能普及，能够耐受高温处境，且散热功能优秀。基于SiC MOSFET功率模块的使用更有帮于变流器的幼型化、轻量化、高功率密度化安排。

受SiC MOSFET耐压秤谌局限，采用若干功率单位高压侧串联，低压侧并联的拓扑构造以进一步扩展容量，造成低压、大电流的直流端口。而当豪爽功率模块级联时，串联电压分拨不均容易酿成器件过压损坏，并联电流不屈衡会告急限造修设的容量提拔。为了担保串联功率模块之间的均压以及并联功率模块之间的均流，差异选取了相应的掌握计谋。正在串联高压侧，功率单位的均压计谋分为静态均压和动态均压。静态均压凭借单位内部的电扇耗能达成，动态均压通过软件算法排序调造达成杏彩体育网页版。高压侧功率单位内部的高频变压器采用真空环氧浇注，以普及绝缘才能。并联低压侧，采用功率平衡掌握格式以达成并联均流。

高压交换侧功率单位由一台高频变压器杏彩体育网页版、两组H桥及其之间的直流电容构成，低压直流侧功率单元由一组H桥和直流电容构成。高压交换模块中直接与交换侧相连的H桥为AC/DC变换单位，高压交换模块中与高频变压器相连的H桥、低压直流模块的H桥以及高频变压器构成双有源全桥型DC/DC变换。此中双有源全桥型DC/DC变换拓扑可有用按捺各级二倍频功率震撼，得回安定的电池电流，拉长电池寿命。H桥中全盘功率模块由SiC MOSFET来达成。

本文所安排的SiC功率单位包蕴10 kV高压交换模块和750 V低压直流模块，两个模块均基于分开型H桥拓扑，如图2所示，合连参数见表1。

对待10 kV高压模块，开合器件采用型号为CAS120M12BM2的SiC MOSFET，每个器件源漏极电压Vds=1.2 kV，每相采用15个模块串联为18 kV，10 kV端口相电压峰值为8.2 kV，拥有足够的绝缘裕度；整机总容量1 MW，每个模块容量为23.8 kW，按每个模块输出电压700V计较，额定通流约34 A，远幼于SiC MOSFET的额定电流120 A，拥有足够的通流裕度。

对待750 V低压模块，开合器件采用型号为CAS300M12BM2的SiC MOSFET，每个器件源漏极电压Vds=1.2kV，远高于额定电压750 V，拥有足够的绝缘裕度。端口总容量1 MW，每个模块容量为66.7 kW，按每个模块输出电压700 V，额定通流约95.3 A，远幼于SIC MOSFET的额定电流300 A，拥有足够的通流裕度。

双有源全桥型DC/DC变换采用单移相掌握方式，每个全桥斜对角对应的两个开合管的脉冲信号雷同，每个桥臂对应的两个开合管的脉冲信号相差180°。体系运转时，通过变革两个H桥之间移相角的巨细，就能够调度传输功率的目标和巨细，达成能量的双向搬动。当桥臂电压相位超前于交换电网电压相位时，能量从直流侧流向交换侧，电池放电；当桥臂电压相位滞后于交换电网电压相位时，能量从交换侧流向直流侧，对电池实行充电。其移相掌握下电压波形泄电感的电流如图3所示，此中，移相角φ为功率传输经过中超前桥HB1与滞后桥HB2的相位差，Ts为一个开合周期。

以低压侧S22、S23合断时换流经过为例，注解功率器件合断电压尖峰地步。图4所示的回道A和回道B中，S22、S23正正在合断。正在换流经过中，通过功率开合管的电流iS渐渐减幼，而通过反向二极管的电流iD正正在增大。疾速的电流蜕变影响到流经途径和器件的寄生电感上，使其感触出高频电压，并造成换流回道。换流回道上感触的电压直流母线电压叠加，合伙影响到功率器件S22、S23上，导致过大的du/dt，即造成电压合断尖峰，尖峰电压表现为式（1）。

这种地步特别爆发正在散布电感量大、负载电流大、功率开合管电流降低工夫短的状况下。下降寄生电感量是毁灭电压合断尖峰的有用格式。

依据功率模块构造组织的分歧，叠层母排有多种拓扑。探求换流回道杂散电感均衡题目，本文采用的叠层母排为对称构造，由两电平的正、负铜排导体通过叠层构造，正在导体间叠加绝缘原料进行热压处分组成，其模子如图5所示。

多电容并联使得杂散电感岔道扩大且同等性变好，磁场抵消以下降回道电感。但跟着汲取电容数目的扩大，电感收效的幅值减幼，于是归纳探求，抉择4个汲取电容构造。安置电容组和功率器件的叠层母排的三维构造模子如图6所示。

仿真提取叠层母排的杂散电感，高压交换模块的叠层母排杂散电感Lt_H=734 nH，低压直流模块的叠层母排杂散电感Lt_l=175 nH。查阅厂家给出的器件数据手册以及文件，型号CAS300M12BM2和CAS120M12BM2的SiC MOSFET高频寄生电感Lstray均为15 nH，二极管的杂散电感为15 nH，则高压交换模块换流回道（如图4所示）的总杂散电感和低压直流模块换流回道的总杂散电感Ls_l差异为：

对待大容量高频器件SiC MOSFET，须要通过合理的散热安排担保其职责正在应许的温度限造内。热源的基础参数如表2所示，因为功率模块壳体直接安放正在散热器上会有漏洞面，于是能够正在装置过程中涂一层很薄的导热硅脂，导热硅脂的导热系数为1 W/(m·k)。功率器件模块安放于散热器上的等效热阻剖释如图7所示。

图7中，Ta为处境温度，Tj(MOS)为SiC MOSFET结点温度，Tc为功率器件模块表壳温度，Ts为散热器表表温度。Rthj-cMOS为SiC MOSFET的管芯到表壳的热阻，Rthc-s为表壳到散热器的热阻，以上参数能够通过厂家供给的数据手册获取，Rths-a为散热器到氛围的热阻，能够由散热器本身传热热阻以及散热器与氛围之间的传热热阻相加计较。由图7可知，Rthj-cMOS与Rthc-s串联，然后分歧桥臂热阻并联后，再与Rth_sa串联，造成完美的功率单位热阻。归纳探求功率密度、本钱、处境等成分后，本文选用强迫风冷的散热体例。

散热器的尺寸组织要和叠层母排、器件摆放相配合，并受到散热用具质、工艺、磁片参数等成分影响。本文散热器选用铝合金材质，拥有重量轻、散热好等性格。原料表表越粗陋，表表辐射率越大，导热功能越差，倒霉于散热，于是首选光面的铝合金。增大散热面积有利于减幼热阻，于是扩大翅片的数目能够普及散热功用，另一方面，磁片数过多会导致散热器尺寸变大，倒霉于功率单位的幼型化、轻型化安排，归纳探求，磁片数目为15个。

高压交换模块中强迫风冷散热器的总热阻Rth_h=0.7944 ℃/W，低压模块的散热器总热阻Rth_l=0.7087 ℃/W。满载时，SiC MOSFET的损耗约为150 W，依据文件供给的公式计较出功率器件最大容许热阻为0.83 ℃/W，注解散热器选型餍足散热需求。正在仿真软件中对一个散热器以及4个SiC模块实行散热计较，恳求功率器件最大温升值T≤40 K。为了简化剖释，漠视热辐射散热，取得分歧入口风速(v)下功率器件的温升蜕变(T)弧线中能够看出，正在风速幼于2 m/s时，功率器件的最大温升随风速增大而急忙降低；风速大于4 m/s时，扩大风速对温升减幼的效率不再彰彰。风速为4 m/s时，功率器件的最大温升餍足散热需求，于是确定流入散热器的风速不幼于4 m/s。图9为入口风速为4 m/s时散热器和功率器件的温度散布图，由图能够看出，越亲近电扇，功率器件温度越低，最高温度崭露正在风冷出口处上的功率器件处；散热器温度散布也不匀称，亲近功率器件的一面温度比力高，最低温度崭露正在风冷入口散热器翅片底部，温度亲近入口氛围温度。

为餍足入口风速≥4 m/s，本文选用两只型号为PMD2406PMB1-A(2)的风机，其单台风量Q1为56.5 CFM，等效入口风速v为：

式中为风机入口的截面积，探求到模块风机输出风量消纳、分歧职位模块进风量不屈衡性以及屏柜的密封等题目，屏风机风量Q2需大于模块风机风量总和Q1s。

归纳探求功能、本钱、供期、墟市占领量等方面成分，抉择型号为R4D450-AK01-01离心风机，其职责性格弧线所示。

功率单位由模块化SiC功率器件、高频变压器、汲取电容、隔直电容、叠层母排、风冷散热器和金属机壳构成。金属机壳隔离室安排，隔室通过风冷散热器的风道互相畅通，实行对流换热；隔室一内，SiC功率器件置于风冷散热器表表，汲取电容列于风冷散热器一侧，通过叠层母排与SiC功率器件连接，SiC功率器件

开合电源，达成高位取能；隔室二内，隔直电容相联于模块与高频变压器之间，差异固定于金属机壳上，高频变压器输出采用刀型触头构造。交换侧接口铜排置于功率单位前哨，穿过霍尔传感器后固定于前侧面板上，高频侧接口为高频变压器的次级输出，即拥有穿墙套管构造的刀型触头。叠层母排将汲取电容的正负非常子相联至位于前哨面板上的衡量端子上，便于测量电容电压。该计划运用叠层母排构造，可下降回道杂感，减幼器件开合经过中的过电压秤谌。模块电扇正在吸收电容电压高于肯定值时主动进入，风冷散热的同时，还可担保正在不控整流充电阶段功率柜内全盘模块之间的均压。3.实行验证

搭修10 kV高压交换模块和750 V低压直流模块样机，并对功率模块实行对拖实行。对待10 kV高压交换模块，高压交换单个模块两个H桥之间进行对拖，实行道理如图12（a）所示。最初通过直流电源给功率单位支持电容C充电至额定职责电压，然后同步触发两个H桥，器件开合频率均为20kHz，因为两个H桥的输出幅值、相位雷同，初始电流I为0，然后通过移相掌握调度两个H桥的输出电压相位差，电流I慢慢增大直至运转至满功率。实行经过中，模块电扇永远处于职责形态。对于750 V低压直流模块，低压交换功率单位为两个模块的两个H桥之间实行对拖，实行经过同高压功率单位，道理如图12（b）所示。

高压交换功率单位的对拖实行回道如图13（a）所示，电容充电电压为720 V；低压直流功率单位的对拖实行回道如图13（b）所示，电容充电电压为720 V。