功率電子轉(zhuǎn)換器開發(fā)人員不斷努力以最高效率實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)換器功率密度?？紤]到減少二氧化碳排放和負責任地使用電能和材料的共同目標，這一點變得更加重要。為了實現(xiàn)進一步的改進，特別是在DC/DC轉(zhuǎn)換器設計方面，SiC功率模塊被認為是關鍵使能技術。

為了提高功率密度，通常的做法是設計更高開關頻率的功率轉(zhuǎn)換器。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器和應用簡介

在許多應用中，較高的開關頻率會導致濾波器更小，電感和電容值會降低。特別是對于采用 16.7 Hz、50 Hz 或 60 Hz

變壓器的應用，由于變壓器的尺寸和重量在很大程度上取決于其基本工作頻率，因此優(yōu)化潛力巨大。這解釋了工程師通過大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器間接轉(zhuǎn)換交流電壓的動機，這些轉(zhuǎn)換器通過中頻變壓器提供電流絕緣。這種固態(tài)變壓器被討論用于電網(wǎng)和鐵路應用。

此外，大功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器本身在電動汽車充電場、電池儲能系統(tǒng)以及光伏、直流能量分配系統(tǒng)或鐵路輔助轉(zhuǎn)換器等各種應用中都是必不可少的。

對于電流絕緣，DC/DC轉(zhuǎn)換器通常使用在相對較高頻率下工作的變壓器。變壓器電壓和電流的基頻通常與所用功率半導體的開關頻率相同或相似。功率半導體的較高開關頻率可能會使變壓器收縮，因為所需的磁性材料更少。此外，隨著頻率的增加，變壓器鐵芯的磁性材料最終可以改變?yōu)楦咝Щ蚋阋说牟牧稀?

為了最大限度地提高高功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關頻率而不降低轉(zhuǎn)換器效率，SiC 功率模塊是首選解決方案，因為與傳統(tǒng) IGBT

技術相比，它們提供更低的開關損耗。以下文章演示了采用 1200 V / 1200 A 三菱電機 SiC 功率模塊的額定額定功率為 500 kW 的 DC/DC

轉(zhuǎn)換器設計。

500 kW 直流/直流轉(zhuǎn)換器原型

圖1.帶有TPS和等效電路圖的DAB的電流和電壓波形。

DAB 的硬件設置

為了表征高功率下的DAB，構(gòu)建了圖3中的測試設置。電力電子器件的核心是 1200 V / 1200 A FMF1200DX1-24A 碳化硅

MOSFET 半橋模塊。它具有集成的短路檢測和保護功能。

作為中頻變壓器的核心材料，納米晶體材料經(jīng)常被使用，因為它提供了高飽和磁通密度和低損耗。然而，所介紹的DC/DC轉(zhuǎn)換器中的變壓器具有由鐵氧體制成的磁芯，即使與低頻變壓器相比，它也提供了一種經(jīng)濟高效的解決方案。這種

500 kW 轉(zhuǎn)換器的鐵氧體磁芯材料得益于 SiC

功率模塊的低開關損耗和由此產(chǎn)生的高開關頻率。此外，變壓器使用帶狀繞組來實現(xiàn)低漏感和強制風冷。中頻變壓器及其尺寸如圖2所示。由此產(chǎn)生的漏感和磁化電感以及DAB參數(shù)如表1所示。漏感是一個關鍵參數(shù)。它限制了V情況下的電流上升速率ECP≠

V彈性云服務器。此外，根據(jù)(3)，它必須低于3.5 μH，以避免在給定的DC/DC轉(zhuǎn)換器參數(shù)下功率降額。

圖2.中頻變壓器

圖3.雙有源橋測試設置

為了測量半導體損耗，實施了DC1和DC2側(cè)全橋的量熱測量系統(tǒng)。入口溫度T在和出口溫度

T外以及每個全橋冷卻板中的水流量Q，分別測量。熱容Cp和水的密度ρ，所有全橋開關的損耗可以按(5)計算。整體測量設置如圖6所示。DC/DC

轉(zhuǎn)換器輸入和輸出由一個電源連接和供電。電源消耗的功率對應于DC/DC轉(zhuǎn)換器的損耗。因此，可以對DC/DC轉(zhuǎn)換器進行精確的功率損耗測量。量熱測量進一步分解了DC1側(cè)和DC2側(cè)功率模塊損耗和變壓器損耗。

實驗結(jié)果

實驗結(jié)果是在前面描述的硬件設置上獲得的，如圖6所示。對于這些測量，只有一(VECP= VECP) 正在調(diào)查。原型的規(guī)格如表1所示。測量結(jié)果高達P外=

504 kW 和高達 V直流=800V評估性能。

在圖4中，顯示了DAB相對于傳輸功率的效率。P 達到最大效率外= 110 kW 和 V直流= 500 V 的 η=98.24

%。對于輸出功率較低的工作點，無法實現(xiàn)零電壓開關(ZVS)，效率會相應下降。量熱測量允許進一步分解不同的損失成分。因此，圖5顯示了DC2側(cè)電源模塊的損耗。達到ZVS的額定功率清晰可見，因為功率模塊損耗變得最小。

圖4.DAB 在不同直流母線電壓 VDC 和 1：1 的轉(zhuǎn)換比下的效率

圖5.量熱法測量DC2側(cè)半導體中的損耗

圖6.測量設置，用于量熱測量的 1：1 操作。