電動汽車隨著汽車行業技術的進步 (HEV)，(EV) 和混合動力電動汽車 (HEV) 越來越受歡迎。交通系統的電氣化過程需要大量電力。雙逆變器技術已被用于滿足這些要求 [2], [3]。雙逆變器牽引系統有兩種使用方式。在典型配置中，雙逆變器用于驅動兩個電機，但它也可用于背對背逆變器拓撲以提供雙向電力傳輸 [1]。快速開關、低開關損耗和高功率密度都隨著 WBG 功率器件的發明及其在功率逆變器設計中的使用而引入 [4]、[5]。由于它們能夠在高溫下工作，碳化硅 MOSFET 等 WBG 器件提供了簡單冷卻系統的額外好處。但是，由于開關速度快，這些器件具有較高的 dv/dt 和 di/dt，從而導致電磁干擾和器件故障[6]、[7]。逆變器的可靠性還受到結溫升的影響。為了克服這些缺點，需要優化逆變器設計。

本文將討論基于 SiC 的 2x250kW 雙逆變器的設計。我們還將介紹熱分析、新母線設計、直流鏈路電容器選擇以及開關頻率對逆變器性能的影響 [1]。原始文章可以在這里找到。

設計母線

碳化硅 MOSFET的特點是高開關頻率和低損耗。應優化母線設計以減少雜散電感以支持這些特性。圖 1(a) 和 (b) 顯示了兩種母線設計。在第一個 3 層母線設計中，我們可以看到疊層交流母線放置在兩個直流母線的頂部。這種設計的優點是直流母線和功率模塊之間的距離減少了，但層壓面積也減少了，因為直流層必須與交流母線保持足夠的間距。

圖 1(b) 描述了第二種母線設計，交流母線在底部，兩個直流母線在頂部。雖然在第二個設計中功率模塊和直流母線之間的距離增加了，但層壓面積增加了。結果表明，增加疊片面積可減少雜散電感，當比較兩種設計時，第二種母線設計的雜散電感比第一種少 30%。

圖 1：母線設計

熱特性

由于傳導和開關損耗，功率模塊的結溫會升高，這對逆變器的性能有重大影響。因此，控制結溫至關重要，結溫限制在 175oC。為了將溫度保持在可接受的限度以下，使用了有限的冷卻劑，該冷卻劑通過用導熱膏粘合到功率模塊的冷板運行，如圖 2 所示。

圖 2：冷板配置

圖 3(a) 和 (b) 說明了逆變器在各種冷卻劑溫度和開關頻率下的最大輸出功率。從圖3(a)可以看出，冷卻液溫度低、流量大時輸出功率最高，冷卻液溫度升高時輸出功率趨于下降，或在開關頻率為0時冷卻板中流量下降設置為 20kHz。這是由于冷板的熱阻增加 [1]。圖 3(b) 描述了在冷卻劑溫度保持恒定在 105 °C 時，不同開關頻率和流速下的輸出功率。如圖所示，由于大的開關損耗，高開關頻率導致低輸出功率。雖然在高冷卻劑流速下的低開關頻率可最大化逆變器的輸出功率，但也會導致輸出紋波，

圖 3：不同條件下的輸出功率

開關頻率和直流母線電容器

對于高功率密度，HT-3000 系列 1.2kV 半橋 SiC 模塊 [8]、[9] 用于提議的逆變器架構。前面描述的優化母線設計最大限度地減少了雜散電感，并允許逆變器支持 250kW。如熱特性中所述，低開關頻率 (5kHz) 可提高輸出功率，但會降低輸出質量，因為低開關頻率會導致直流鏈路和逆變器輸出部分出現紋波。直流鏈路電容器用于解決此問題。冷卻液溫度保持在 90oC，流速為每分鐘 3 升。實驗表明，低開關頻率會導致更大的直流鏈路電容，這不僅會增加逆變器的成本，還會影響其功率密度。另一方面，高開關頻率 (20kHz) 需要較小的直流鏈路尺寸，從而實現高功率密度。因此，在建議的優化逆變器中，開關頻率設置為 20kHz，冷卻液溫度設置為 90oC，流量設置為 3 升/分鐘，功率密度設置為 60kW/L。圖 4 描繪了雙逆變器原型。雙逆變器的參數如下表所示。

圖 4：原型視圖

表 1：原型的特征

結論

本文描述了 2x250kW 雙逆變器的理想設計。母線的構建方式可以最大限度地減少雜散電感，從而使 SiC MOSFET 能夠提供更低的開關損耗。還討論了逆變器的熱特性和開關頻率對逆變器輸出的影響。

審核編輯：湯梓紅