牛 闖

(中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥高級工程師)

0 引言

充電機(jī)是城市軌道交通列車的重要組成部分，在正常工作情況下，為車載蓄電池充電；在緊急情況下，可為控制電路、應(yīng)急照明等設(shè)備提供不間斷的能源供應(yīng)；同時列車的日常運(yùn)行中，還為整列車的直流負(fù)載提供能源[2-3]。

硅基功率半導(dǎo)體器件在電力電子領(lǐng)域一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。但是，由于硅材料本身的局限性，以及硅材料器件的制備與加工工藝的日益完善與不斷優(yōu)化，硅材料器件性能已逐漸接近了硅材料本身的應(yīng)用極限，未來的發(fā)展?jié)摿σ苍絹碓叫?，已?jīng)無法滿足人們對電能的要求[4]。與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體材料相比，新型的碳化硅半導(dǎo)體材料為寬禁帶半導(dǎo)體，具有高臨界電場、低導(dǎo)通電阻以及高導(dǎo)熱率等優(yōu)勢。寬禁帶(是硅的2～3倍)提高了功率半導(dǎo)體器件的工作溫度和可靠性；高擊穿場強(qiáng)(是硅的10倍)提高了功率半導(dǎo)體器件的耐壓，減小了功率半導(dǎo)體器件的尺寸；高熱導(dǎo)率(是硅的3倍)提高了功率半導(dǎo)體器件的功率密度；高飽和電子漂移速度(是硅的2倍)提高了功率半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率；其較強(qiáng)的抗輻射能力，更適合在強(qiáng)輻射環(huán)境中使用[9]。將碳化硅功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用于充電機(jī)中，可以有效提高開關(guān)頻率，降低輸出電壓紋波，減小充電機(jī)體積，提高功率密度[5]。Si(硅)和SiC(碳化硅)的性能對比如表1所示。

表1 Si和和SiC性能對比表

本文通過理論分析得出充電機(jī)中碳化硅器件的損耗模型，通過PLECS軟件進(jìn)行仿真，最后通過搭建碳化硅充電機(jī)平臺進(jìn)行損耗試驗(yàn)，將試驗(yàn)值、計(jì)算值、仿真值進(jìn)行對比驗(yàn)證。

1 碳化硅場效應(yīng)管模塊損耗模型

1.1 開關(guān)損耗

開關(guān)管在開通、關(guān)斷時，由于漏源極電壓與漏極電流曲線在上升和下降的過程中會出現(xiàn)交截，因而會產(chǎn)生開通和關(guān)斷損耗[10]。開關(guān)損耗計(jì)算公式為：

Pswitch=fs(Eon+Eoff)

(1)

式中：

Pswitch——開關(guān)損耗；

fs——開關(guān)管工作頻率；

Eon，Eoff——分別為開關(guān)單次開通損耗和關(guān)斷損耗，可根據(jù)器件的數(shù)據(jù)手冊資料查到。

1.2 驅(qū)動損耗

驅(qū)動損耗是驅(qū)動電壓給開關(guān)管柵源極寄生電容充放電的過程中產(chǎn)生的損耗，與驅(qū)動電壓、開關(guān)管的工作頻率和柵源極寄生電容的大小有關(guān)，開關(guān)管的驅(qū)動損耗技術(shù)公式為：

Pdrive=Vg(on)Qgfs

(2)

式中：

Pdrive——驅(qū)動損耗；

Qg——開關(guān)管的柵極總電荷；

Vg(on)——柵極驅(qū)動電壓。

1.3 導(dǎo)通損耗

開關(guān)管導(dǎo)通時，其導(dǎo)通電阻值RDS(on)近似恒定不變，因此開關(guān)管的導(dǎo)通損耗Pmos(on)主要受變壓器原邊電流IT與導(dǎo)通時間影響。Pmos(on)的計(jì)算公式為：

(3)

式中：

D(t)——開關(guān)管占空比。

1.4 體二極管損耗

二極管的導(dǎo)通時間比為(1-D(t))，因此二極管的導(dǎo)通損耗PDiode(on)計(jì)算公式為：

PDiode(on)=(0.5-D(t))ITUf

(4)

式中：

Uf——體二極管導(dǎo)通壓降。

體二極管關(guān)斷時不能立刻截止，需要一定的反向恢復(fù)電流降為零才能恢復(fù)阻斷狀態(tài)，二極管的反向恢復(fù)損耗近似計(jì)算公式為：

PDiode(off)=fsUDQrr

(5)

式中：

UD——體二極管反向截止電壓平均值；

Qrr——反向恢復(fù)充電電荷量。

1.5 碳化硅場效應(yīng)管模塊總損耗

因碳化硅模塊驅(qū)動損耗較小，故忽略不計(jì)。單個碳化硅場效應(yīng)管模塊的主要損耗總和PQ計(jì)算公式：

PQ=Pmos(on)+Pswitch+PDiode

(6)

2 基于PLECS軟件的仿真模型

2.1 碳化硅場效應(yīng)管模塊損耗模型建立

場效應(yīng)管選型采用了科瑞官網(wǎng)的熱阻模型，該模型包含有碳化硅場效應(yīng)管的開通損耗、關(guān)斷損耗、導(dǎo)通損耗以及體二極管的導(dǎo)通損耗。

在PLECS軟件中建立場效應(yīng)管模塊的熱模型。在該模型中，開通損耗和關(guān)斷損耗可以用一個3D數(shù)據(jù)表格來描述，即依據(jù)功率模塊數(shù)據(jù)手冊填入在不同測試溫度、不同輸入電壓下流經(jīng)場效應(yīng)管特定電流時的損耗數(shù)據(jù)[6-7]。碳化硅器件開關(guān)損耗模型如圖1所示。

導(dǎo)通損耗可以用一個二維數(shù)據(jù)表格來描述，用以表示不同電流流經(jīng)場效應(yīng)管和其本身自帶的反并聯(lián)體二極管時，場效應(yīng)管模塊的漏源兩端所承受的正向?qū)▔航档拇笮?，再?jīng)計(jì)算便可以得出器件的損耗。場效應(yīng)管和其體二極管導(dǎo)通電壓-電流曲線如圖2所示。

圖2 不同溫度的場效應(yīng)管和其體二極管導(dǎo)通電壓-電流曲線

2.2 仿真驗(yàn)證

SiC充電機(jī)中功率模塊采用科瑞公司型號為CAS120M12BM2的模塊，該模塊的具體參數(shù)如表2所示。

表2 SiC充電機(jī)功率模塊參數(shù)

SiC充電機(jī)原、副邊均采用全橋結(jié)構(gòu)，副邊還包含濾波電感、電容。SiC充電機(jī)仿真模型如圖3所示。該仿真模型設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

圖3 SiC充電機(jī)仿真模型

表3 SiC充電機(jī)仿真模型設(shè)計(jì)參數(shù)

仿真模型搭建完成后，對各個階段輸出波形進(jìn)行觀測。SiC充電機(jī)不控整流部分輸入電壓Uin波形如圖4所示。SiC充電機(jī)副邊濾波后輸出電壓Uout波形如圖5所示。

圖4 SiC充電機(jī)不控整流部分電壓波形

圖5 SiC充電機(jī)副邊濾波后輸出電壓波形

對原邊場效應(yīng)管模塊損耗進(jìn)行仿真計(jì)算[8]。再通過損耗模型進(jìn)行計(jì)算，最后進(jìn)行結(jié)果對比。代入碳化硅場效應(yīng)管器件模塊(CAS120M12BM2)的關(guān)斷時間參數(shù)與輸出電容參數(shù)。在fs=50 kHz情況下，計(jì)算可得開關(guān)損耗為：

Pswitch=50 kHz×(1.1 mJ+0.2 mJ)=65 W

輸入電流隨負(fù)載功率變化，原邊電流有效值為29.7 A，占空比為0.45，代入碳化硅器件(CAS120-M12BM2模塊)的導(dǎo)通電阻參數(shù)，則計(jì)算可得單個碳化硅MOSFET模塊的導(dǎo)通損耗為：

Pmos(on)=29.7 A2×13×10-3Ω×0.45=5.16 W

表4 碳化硅場效應(yīng)管模塊損耗計(jì)算值與仿真值對比表

因開關(guān)損耗過程時間短，計(jì)算模型過于理想化，導(dǎo)致誤差偏大。但導(dǎo)通損耗誤差較小，證明導(dǎo)通損耗模型精確度高。開關(guān)損耗誤差仍在可控范圍內(nèi)，可為充電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定參考。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)平臺搭建

為驗(yàn)證前文所提SiC充電機(jī)損耗計(jì)算模型的合理性，研制了一臺SiC充電機(jī)。該充電機(jī)包括不控整流、軟啟動、主控系統(tǒng)以及全橋DC-DC 4部分，如圖6所示。該充電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。

圖6 SiC充電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺

表5 SiC充電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對所研制的SiC充電機(jī)進(jìn)行功能驗(yàn)證，包括軟啟動試驗(yàn)、帶載試驗(yàn)和損耗試驗(yàn)。

1) 軟啟動波形：輸入三相交流電壓后，SiC充電機(jī)開始軟啟動過程，輸出電壓如圖7所示。

圖7 SiC充電機(jī)軟啟動輸出電壓波形

由圖7可見，該充電機(jī)輸出電壓在5 s內(nèi)平緩上升至95 V左右，符合軟啟動設(shè)計(jì)預(yù)期。在實(shí)際應(yīng)用中，軟啟動時間設(shè)置略大于仿真模型中的軟啟動時間。

2) 帶載試驗(yàn)：為了驗(yàn)證該充電機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)要求，是否與滿載時的理論分析結(jié)果一致，通過功率損耗測試試驗(yàn)，分別測試該充電機(jī)不同負(fù)載情況下的效率。該充電機(jī)不同負(fù)載情況下的輸出電壓、輸出電流、輸出功率和輸入功率如圖8所示。

圖8 SiC充電機(jī)帶載輸出能力截圖

3) 損耗試驗(yàn)：器件的開關(guān)損耗與器件的工作頻率正相關(guān)。通過提升SiC充電機(jī)的開關(guān)頻率發(fā)現(xiàn)器件損耗隨開關(guān)頻率增加而逐漸增加。通過測量功率模塊兩端的電壓電流，將電壓與電流的乘積視為SiC充電機(jī)的功率損耗。該充電機(jī)功率損耗的試驗(yàn)值、仿真值、計(jì)算值如圖9所示。

圖9 不同頻率下單個SiC MOSFET模塊的試驗(yàn)值、仿真值和計(jì)算值對比圖

由圖9中可見，該充電機(jī)功率損耗的試驗(yàn)值、仿真值、計(jì)算值較為吻合。誤差是由仿真模型、計(jì)算模型與試驗(yàn)中的差異造成的。由于三者之間的差異較小，因此計(jì)算模型仍對SiC充電機(jī)損耗預(yù)測有著較高可信度。

4 結(jié)語

本文基于PLECS軟件提出了一種碳化硅充電機(jī)功率模塊損耗計(jì)算方法，給出了SiC MOSFET模塊的開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗、驅(qū)動損耗和體二極管導(dǎo)通損耗的計(jì)算方法，并對比分析了MOSFET模塊開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗的計(jì)算值與仿真值，結(jié)果表明：碳化硅器件的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗模型可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，其中導(dǎo)通損耗模型精確度高。對所研制的 SiC充電機(jī)進(jìn)行了功能驗(yàn)證，對比分析了該充電機(jī)功率損耗的試驗(yàn)值、仿真值、計(jì)算值，結(jié)果表明：通過計(jì)算模型能夠預(yù)測充電機(jī)功耗，而且效果優(yōu)于仿真模型的。