當前位置:nba奇才vs湖人 >

奇才vs活塞:面向高性能牽引變流器的3.3 kV全碳化硅MOSFET

nba奇才vs湖人 www.aokkq.club 2018/8/2 13:39:38 來源:互聯網 電力電子論壇|免費發布產品

nba奇才vs湖人

nba奇才vs湖人 www.aokkq.club   三菱電機正在開發全新的額定3.3 kV/750 A的全碳化硅mosFET器件,該器件采用最新的LV100封裝,特別適用于牽引應用和??榛浠黃魃杓?。本文將重點介紹這款全碳化硅器件以及說明其在牽引應用中的優勢。

  作者:三菱歐洲 Dr. Nils Soltau,Eugen Wiesner

  三菱日本Kenji Hatori,Hitoshi Uemura

  1.概要

  基于碳化硅材料的功率器件被認為是現代電力電子技術的重大革新。相較于傳統的硅基器件,碳化硅器件可實現更高效和更緊湊的變換器設計,以降低能耗和高成本材料的使用。

 

  圖1 采用最新LV100封裝的3.3 kV/750 A全碳化硅器件

  在過去的20年中,三菱電機開發并商業化了不同電壓等級和用于各種應用領域的碳化硅功率器件[1]。目前,得益于在機車牽引等應用領域中對碳化硅器件多年的現場應用經驗[2],三菱電機開發出全新的全碳化硅2單元MOSFET??镕MF750DC-66A,其額定電壓為3.3 kV,額定電流為750 A,特別適用于高性能牽引變流器和柔性變換器的設計。

  由于快速開關瞬態特性,全碳化硅器件需要采用具有低雜散電感的合適封裝。如圖1所示,FMF750DC-66A采用了其所在電壓和功率等級的最先進封裝技術:LV100封裝,這種封裝內部雜散電感低于10 nH,且具有并聯連接簡單的特點。此外,該封裝的內部設計確保了??檳誆啃酒淶淖羆訓緦鞣峙?。

  2.與硅基器件對比

  以下對FMF750DC-66A與2款硅基IGBT器件進行比較,其中這2款IGBT同樣采用LV100封裝且電壓等級均為3.3 kV,其額定電流分別為450 A和600 A,具體型號分別為CM450DA-66X和CM600DA-66X。這3款??櫚木蔡匭遠員冉峁繽?所示,很好地說明了雙極型IGBT和單極型MOSFET之間的基本差異。應該注意的是,所有器件特性都在其各自的最大結溫給出,其中IGBT器件的為150°C,而FMF750DC-66A的為175°C。由于MOSFET的線性的電流-電壓關系特性,其小電流下的導通壓降比雙極型IGBT的低得多,如圖2(a)所示。如圖2(b)所示,與IGBT??櫓械男鞫芟啾?,如果二極管(SBD)和MOSFET都導通反向電流(同步整流模式),FMF750DC-66A的反向壓降相對IGBT器件的也小得多。特別是在低負載條件下,單極性器件能夠顯著提高變換器效率,隨后的章節以牽引應用為例對此進行量化體現。

  

 

  

 

  圖2 全碳化硅??橛牘杌?櫚木蔡匭遠員?/p>

  全碳化硅器件的另一個顯著優勢是開關損耗的降低,同樣這也是得益于單極性器件的特性。這類器件不存在反向恢復和拖尾電流,從而大幅降低開關損耗,并且允許相比硅基雙極性器件更高的開關頻率。圖3給出了器件導通、關斷和反向恢復期間的功耗總和。與硅基IGBT相比,全碳化硅MOSFET??櫚目廝鷙慕檔土?0~90%。

  

 

  圖3 全碳化硅??橛牘杌?櫚目廝鷙畝員?/p>

  以下章節將量化并討論變換器設計在目標應用的優勢。

  3.系統級優勢

  首個案例是直流母線電壓1500 V且開關頻率為750 Hz的牽引變流器,對CM600DA-66X和FMF750DC-66A產生的損耗進行了對比。圖4(a)描述了采用FMF 750DC-66A替換CM600DA-66X后所帶來的能耗改善,特別是在車輛部分負載條件下,節能潛力巨大。當輸出電流在400 A以下時,全碳化硅器件的半導體功耗可以降低50%~80%(在相同的器件尺寸下),而在部分負載下時,運行功耗可以進一步降低。此外,由于FMF750DC-66A的效率更高,可運行結溫更高,整流模式運行時的最大功率也會增加。如圖4(b)所示,在750 Hz的典型開關頻率下,基于FMF750DC-66A的變流器的最大輸出功率相對基于CM600DA-66X的增加了約60%。由于整流模式用于車輛減速時的能量回收,所以會有更多的能量被回收并反饋回電網,這同樣降低了傳統制動系統上的壓力。

  

 

  圖4 FMF750DC-66A與CM600DA-66X的對比

  第二個案例是在功率因數0.9下運行的并網逆變器,并得出取決于輸出電流的最大開關頻率,圖5中所示為考慮冷卻水溫度40°C的結果。因此,在相同的電流水平下,FMF750DC-66A的最大開關頻率相比CM600DA-66X的可增加5~9倍。

  

 

  

 

  圖5 不同開關頻率下的最大輸出電流

  較高的開關頻率允許變換器制造商的網格濾波器設計中采用更高的諧振頻率,因此LCL濾波器中所需的電感和電容值會降低,既降低了濾波器的尺寸、成本和損耗,又實現了對變換器更為動態的控制。此外,對于機器側逆變器或DC-DC變換器,更高的開關頻率可以設計出更緊湊的高速驅動器和中頻變換器[3、4]。

  除開關頻率增加外,圖4(b)已經證明保持開關頻率恒定,基于碳化硅器件的變換器可以輸出更高的功率。FMF750DC-66A采用與CM450DA-66X、CM600DA-66X相同的封裝,可實現更靈活的變換器設計和更為快速的進度開發,且具有與硅基逆變器類似的配置。

  除了在前面所討論的牽引和電網應用,FMF750DC-66A還在諸多方面具有更多優勢,圖6說明了其在???、變換器和應用等不同系統級別的優勢。

 

  圖6 FMF750DC-66A在不同系統級別的優勢

  4. 結論

  基于最先進的LV100封裝技術,三菱電機在3.3 kV電壓等級開發了額定電流750 A的全碳化硅MOSFET???。

  FMF750DC-66A通過提高開關頻率和實現175°C最高結溫,有效提高了變換器的功率密度。此外,該??檳芄皇迪指叩南低承?,尤其是在部分負載條件下或整流模式運行時,FMF750DC-66A可將變換器損耗降低50~80%。

  FMF750DC-66A與同級別硅基器件采用相同的低雜散電感LV100封裝。對于變換器制造商來說,這簡化了從硅基器件轉換到全碳化硅器件的過程并提供了極大的靈活性。

  參考文獻

  [1] E. Thal and J. Yamada, "SiC Power Modules for a Wide Application Range," Bodo's Power Systems, Sep 2017.

  [2] Mitsubishi Electric, Mitsubishi Electric Installs Railcar Traction System with All-SiC Power Modules on Shinkansen Bullet Trains, Press Release No. 2942, June 2015.

  [3] L. Luise and others, Design Optimization and Testing of High-Performance Motors: evaluating a Compromise Between Quality Design Development and Production Costs of a Halbach-Array PM Slotless Motor, IEEE Industry Applications Magazine, 2016.

  [4] M. Claessen, D. Dujic, F. Canales, J. K. Steinke, P. Stefanutti and C. Vetterli, Traction transfomration - A power-electronic traction transformer, ABB review, 01/2012.

 

填寫您的郵件地址,訂閱我們的精彩內容:

關注“電力電子網微信公眾號”免費獲得3000G資料.資料涵蓋:電力電子,電工電氣等領域的資料!
  添加方式:
1、手機掃描左側二維碼
2、添加朋友,搜微信號:pedianlidianzi
有事先發郵件,我會及時與您聯系,謝謝合作。   網站電子郵箱:: [email protected]

廣告合作∶0314-2527913  Email∶ [email protected]  展會聯系∶13520307378   電力電子技術群:231382395           Copyright2011-2019  //www.aokkq.club / All Rights Reserved      
  版權所有∶中國電力電子產業網(nba奇才vs湖人 www.aokkq.club) 經營許可證編號∶ 京ICP備11012668號-1  京公網安備 11010802009741 號   
網站服務|廣告服務|文章投稿|友情鏈接QQ: 2212348358

nba奇才vs湖人