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WBG 多電平逆變器適合 800V 電池電動汽車

發(fā)布時間:2024-11-26 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】如今,800V 電池被用來提高交流電機(jī)驅(qū)動的效率并縮短電池充電時間。電動汽車牽引系統(tǒng)中的 2L 逆變器有一些缺點(diǎn):即輸出電壓的總諧波失真 (THD) 高、開關(guān)損耗增加、EMI 噪聲高以及電機(jī)軸上的感應(yīng)電壓(主要用于電力)時出現(xiàn)的軸承電流問題。額定值高于 75 kW)克服了軸承潤滑油膜的絕緣能力。這會導(dǎo)致電流流過軸承,從而產(chǎn)生凹槽——滾道上特有的凹槽和磨砂坑,從而損害軸承的負(fù)載能力。


機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

3L 逆變器可以在高功率水平下運(yùn)行,具有較低的諧波失真和開關(guān)電壓應(yīng)力,使其成為電動汽車應(yīng)用的有力競爭者。

如今,800V 電池被用來提高交流電機(jī)驅(qū)動的效率并縮短電池充電時間。電動汽車牽引系統(tǒng)中的 2L 逆變器有一些缺點(diǎn):即輸出電壓的總諧波失真 (THD) 高、開關(guān)損耗增加、EMI 噪聲高以及電機(jī)軸上的感應(yīng)電壓(主要用于電力)時出現(xiàn)的軸承電流問題。額定值高于 75 kW)克服了軸承潤滑油膜的絕緣能力。這會導(dǎo)致電流流過軸承,從而產(chǎn)生凹槽——滾道上特有的凹槽和磨砂坑,從而損害軸承的負(fù)載能力。

這些挑戰(zhàn)可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)來解決。與 2L 逆變器相比, ML逆變器提供額外的輸出電壓水平和低相電流紋波,具有更好的效率、功率密度、熱性能和 EMI 行為。這種改進(jìn)取決于較低的 THD 和共模電壓 (CMV) 水平。此外,基于WBG的ML拓?fù)?,特別是3L-T逆變器和3L-NPC逆變器,在更高的效率和EMI性能方面脫穎而出。

2L和3L逆變器型號

出于比較目的,考慮了三種拓?fù)洌?L 逆變器以及 3L-T 和 3L-NPC 逆變器,如圖 1 所示。

WBG 多電平逆變器適合 800V 電池電動汽車 

圖 1(右)中的 3L-NPC 逆變器由三個支路組成,每個支路包含四個串聯(lián)連接的開關(guān)(IGBT 或 SiC MOSFET)。每個開關(guān)上施加的電壓是傳統(tǒng) 2L 逆變器電壓的一半。通過串聯(lián)相等的總線電容器將總線電壓分成兩半,并且每個支路通過插入兩個鉗位二極管來完成,這提供了到中性點(diǎn)的連接。 2L 逆變器只能將輸出連接到正母線或負(fù)母線,而 NPC 逆變器可以在輸出上產(chǎn)生三種電壓電平:直流母線正電壓、直流母線負(fù)電壓和零電壓,以生成更正弦的輸出波形,以實(shí)現(xiàn)減少諧波失真。考慮單腿操作,當(dāng)S 1和S 11導(dǎo)通時,輸出連接至V DC;當(dāng)S 11和S 44導(dǎo)通時,輸出連接至中點(diǎn)電壓V 0 ;當(dāng)S 44和S 4導(dǎo)通時,輸出連接至V n。由于S 11和S 44在一個周期內(nèi)導(dǎo)通時間較長,因此它們比S 1和S 4承受的損耗更高,但開關(guān)損耗更少。

與 NPC 拓?fù)洳煌?,T 型逆變器沒有鉗位二極管,從而減少了元件數(shù)量。由于采用單個外部開關(guān)器件(而不是兩個串聯(lián)器件),它還表現(xiàn)出較低的傳導(dǎo)損耗,但同時,與 NPC 逆變器相比,這會導(dǎo)致阻斷電壓降低。因此,與 3L-NPC 相比,3L-T 逆變器在較低頻率下表現(xiàn)更出色。 3L-T雙向輔助開關(guān)在中性點(diǎn)和負(fù)載端之間提供可控路徑;通過選擇性地打開不同的開關(guān)可以獲得3L輸出。

電動汽車牽引模型

可以使用直流電源、三種逆變器拓?fù)浜碗妱悠嚿铣S玫挠来磐诫姍C(jī) (PMSM) 來構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。,PSIM 等特定工具生成所需的輸出。 Altair 的 PSIM 是一款功能強(qiáng)大的軟件,廣泛用于電機(jī)驅(qū)動仿真和設(shè)計。

可使用數(shù)據(jù)表使用基本方程來計算導(dǎo)通電阻和損耗:

R on ( T ) = R 0 [1 + K ( T – T init )]; P sw = ( E sw,on + E sw,off ) f ; P條件= I D 2 R上( T )

其中K是 SiC MOSFET 在T時的導(dǎo)通電阻溫度系數(shù),T init是初始溫度,f是開關(guān)頻率,ID是漏極電流??偣β蕮p耗包括因開通和關(guān)斷而產(chǎn)生的開關(guān)損耗以及傳導(dǎo)損耗。

由于逆變器架構(gòu)之間存在差異,并且在 800V 總線的情況下,2L 拓?fù)湫枰?1,200V SiC MOSFET; 3L-T 電路的主開關(guān)需要相同的額定電壓,輔助開關(guān)需要 650 V 的額定電壓。相比之下,3L-NPC 逆變器采用 650V SiC MOSFET 和 650V SiC 二極管構(gòu)建。

電磁JMAGRT模型是一種基于有限元分析的仿真工具,可用于評估PMSM的銅損和鐵損。作者選擇的電機(jī)功率為 150 kW,額定扭矩為 180 Nm。

效率比較

2L 逆變器中的硅IGBT 和 SiC MOSFET之間的比較表明,基于 SiC 的解決方案具有顯著的優(yōu)勢。傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗降低了 80%,結(jié)溫降低了 35%,從而使冷卻系統(tǒng)更加簡單,并改善了整個系統(tǒng)的重量、尺寸和成本。低扭矩、低速區(qū)域的效率提高了近30%,而在額定速度、額定扭矩區(qū)域,效率提高了2.8%。更有趣的是正在研究的三個逆變器中涉及 SiC MOSFET 的基準(zhǔn)。

在評估效率時,我們可以考慮三種類型的扭矩曲線:逆變器效率、電機(jī)效率和整體驅(qū)動效率。相關(guān)的效率優(yōu)勢出現(xiàn)在低速區(qū)域,從 1,000 rpm 到 3,000 rpm。三個逆變器的效率在此范圍內(nèi)表現(xiàn)出的變化,特別是逆變器效率曲線。在20 Nm至150 Nm的扭矩范圍內(nèi),3L-T在1,000 rpm時表現(xiàn)出更高的效率,比2L高出2.62%。由于高傳導(dǎo)損耗,3L-NPC 在三種拓?fù)渲斜憩F(xiàn)出較低的效率,但當(dāng)扭矩超過 150 Nm 時,它開始顯著改善,終在略低于 200 Nm 時超過 3L-T。

無論如何,3L-T 和 3L-NPC 的開關(guān)損耗都低于 2L,證明了 ML 在電動汽車應(yīng)用中的切實(shí)好處。此外,三種配置在高速(例如從 7,000 rpm 到 12,000 rpm)時的整體驅(qū)??動效率保持相同。這可以通過以下事實(shí)來解釋:在高扭矩和高速度下,電機(jī)效率起著主導(dǎo)作用。順便說一句,ML 逆變器能夠產(chǎn)生諧波含量較低的輸出電壓,從而在電機(jī)中產(chǎn)生更多的正弦形磁通量,從而轉(zhuǎn)化為更高的效率和更平滑的扭矩。逐漸施加旋轉(zhuǎn)力反過來會產(chǎn)生更少的振動和噪音,從而提高整體性能和舒適度。

3L-NPC 在 150 Nm 的扭矩范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了效率改進(jìn),表明該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常適合在高功率轉(zhuǎn)換器中運(yùn)行。

2L 與 ML CMEMI 行為

CMEMI 也稱為共模噪聲,當(dāng)相對于公共參考地的兩個導(dǎo)體上有不需要的電流流動時,就會出現(xiàn) CMEMI(圖 2)。這些電流具有相同的幅度和相位,但沿互連傳輸?shù)男盘柨赡懿幌嗤?CMEMI 可能由多種來源產(chǎn)生,但基本機(jī)制是明確的:它通常是由通過雜散電容泄漏的噪聲電流引起的。

共模電磁干擾。

WBG 多電平逆變器適合 800V 電池電動汽車圖 2:CMEMI(來源:村田制作所2)


與 2L 逆變器相比,ML 逆變器有助于降低 CMEMI 噪聲,因為 CMV(電源地線與三相負(fù)載中性點(diǎn)之間的電壓)水平大幅降低,從而延長了軸承和電機(jī)繞組的使用壽命。在評估 CMEMI 性能時,可以構(gòu)建之前看到的相同模型,其中逆變器和接地之間的寄生電容設(shè)置為 600 pF,電機(jī)和外殼之間的寄生電容設(shè)置為 2 ?F??梢酝ㄟ^施加兩個開關(guān)頻率來進(jìn)行比較:20 kHz 和 50 kHz。

結(jié)果證實(shí),高開關(guān)頻率會增加 2L 和 3L-T 逆變器的 CMEMI 噪聲幅度,遵循相同的趨勢。另外值得注意的是,在相同頻譜下,2L 逆變器中的 50 kHz 開關(guān)頻率意味著比以 20 kHz 運(yùn)行的 3L-T 逆變器噪聲幅度高出 30 dBμV。實(shí)驗還證明,基于SiC的3L-T逆變器在50kHz時的CMEMl噪聲比20kHz時的2L低15至50dBμV。


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