如何设计更高开关频率的功率转换器

功率电子转换器开发人员不断努力以最高效率实现更高的转换器功率密度。考虑到减少二氧化碳排放和负责任地使用电能和材料的共同目标，这一点变得更加重要。为了实现进一步的改进，特别是在DC/DC转换器设计方面，SiC功率模块被认为是关键使能技术。

为了提高功率密度，通常的做法是设计更高开关频率的功率转换器。

DC/DC 转换器和应用简介

在许多应用中，较高的开关频率会导致滤波器更小，电感和电容值会降低。特别是对于采用 16.7 Hz、50 Hz 或 60 Hz

变压器的应用，由于变压器的尺寸和重量在很大程度上取决于其基本工作频率，因此优化潜力巨大。这解释了工程师通过大功率DC/DC转换器间接转换交流电压的动机，这些转换器通过中频变压器提供电流绝缘。这种固态变压器被讨论用于电网和铁路应用。

此外，大功率 DC/DC 转换器本身在电动汽车充电场、电池储能系统以及光伏、直流能量分配系统或铁路辅助转换器等各种应用中都是必不可少的。

对于电流绝缘，DC/DC转换器通常使用在相对较高频率下工作的变压器。变压器电压和电流的基频通常与所用功率半导体的开关频率相同或相似。功率半导体的较高开关频率可能会使变压器收缩，因为所需的磁性材料更少。此外，随着频率的增加，变压器铁芯的磁性材料最终可以改变为更高效或更便宜的材料。

为了最大限度地提高高功率 DC/DC 转换器的开关频率而不降低转换器效率，SiC 功率模块是首选解决方案，因为与传统 IGBT

技术相比，它们提供更低的开关损耗。以下文章演示了采用 1200 V / 1200 A 三菱电机 SiC 功率模块的额定额定功率为 500 kW 的 DC/DC

转换器设计。

500 kW 直流/直流转换器原型

图1.带有TPS和等效电路图的DAB的电流和电压波形。

DAB 的硬件设置

为了表征高功率下的DAB，构建了图3中的测试设置。电力电子器件的核心是 1200 V / 1200 A FMF1200DX1-24A 碳化硅

MOSFET 半桥模块。它具有集成的短路检测和保护功能。

作为中频变压器的核心材料，纳米晶体材料经常被使用，因为它提供了高饱和磁通密度和低损耗。然而，所介绍的DC/DC转换器中的变压器具有由铁氧体制成的磁芯，即使与低频变压器相比，它也提供了一种经济高效的解决方案。这种

500 kW 转换器的铁氧体磁芯材料得益于 SiC

功率模块的低开关损耗和由此产生的高开关频率。此外，变压器使用带状绕组来实现低漏感和强制风冷。中频变压器及其尺寸如图2所示。由此产生的漏感和磁化电感以及DAB参数如表1所示。漏感是一个关键参数。它限制了V情况下的电流上升速率ECP≠

V弹性云服务器。此外，根据(3)，它必须低于3.5 μH，以避免在给定的DC/DC转换器参数下功率降额。

图2.中频变压器

图3.双有源桥测试设置

为了测量半导体损耗，实施了DC1和DC2侧全桥的量热测量系统。入口温度T在和出口温度

T外以及每个全桥冷却板中的水流量Q，分别测量。热容Cp和水的密度ρ，所有全桥开关的损耗可以按(5)计算。整体测量设置如图6所示。DC/DC

转换器输入和输出由一个电源连接和供电。电源消耗的功率对应于DC/DC转换器的损耗。因此，可以对DC/DC转换器进行精确的功率损耗测量。量热测量进一步分解了DC1侧和DC2侧功率模块损耗和变压器损耗。

实验结果

实验结果是在前面描述的硬件设置上获得的，如图6所示。对于这些测量，只有一(VECP= VECP) 正在调查。原型的规格如表1所示。测量结果高达P外=

504 kW 和高达 V直流=800V评估性能。

在图4中，显示了DAB相对于传输功率的效率。P 达到最大效率外= 110 kW 和 V直流= 500 V 的 η=98.24

%。对于输出功率较低的工作点，无法实现零电压开关(ZVS)，效率会相应下降。量热测量允许进一步分解不同的损失成分。因此，图5显示了DC2侧电源模块的损耗。达到ZVS的额定功率清晰可见，因为功率模块损耗变得最小。

图4.DAB 在不同直流母线电压 VDC 和 1：1 的转换比下的效率

图5.量热法测量DC2侧半导体中的损耗

图6.测量设置，用于量热测量的 1：1 操作。