عاكس عالي الكفاءة ثلاثي الأطوار قائم على SiC مع طوبولوجيا 3L-TNPC

يحتاج أحدث جيل من محولات الطاقة إلى تلبية المتطلبات الصعبة ، مثل فقدان الطاقة المنخفض ، وكثافة الطاقة العالية ، وكفاءة المستوى الأعلى. حتى وقت مضى ، كانت هذه الميزات قابلة للتحقيق فقط من خلال طبولوجيا متعددة المستويات تعتمد على أجهزة طاقة السيليكون النقية. مع إدخال دوائر MOSFET من كربيد السيليكون (SiC) ، تم تقليل فقد الطاقة بشكل كبير ، مما فتح الطريق أمام نهج متعدد المستويات قائم على SiC.

ستقدم هذه المقالة نموذجًا أوليًا لعاكس بقدرة 450 كيلووات يعتمد على محول محايد النقطة من النوع T من 3 مستويات (3L-TNPC). مبني على هيكل بسبار متعدد الطبقات ، يحقق التصميم المقترح محاثة ضالة أقل من المحولات ثلاثية المستويات الشائعة ، مع ارتفاع محدود في درجة الحرارة.

من خلال اختيار مقاومة البوابة المثلى (1Ω) ، يحقق النموذج الأولي للمحول أكثر من 67.7٪ من تقليل فقد التبديل ، وكثافة طاقة تبلغ 26.6 كيلو واط / لتر ، وكفاءة قصوى تبلغ 99.47٪ تقاس عند 266 كيلوواط تعمل بتردد تحويل 70 كيلو هرتز. اقرأ النص الأصلي هنا.

نظرة عامة على التصميم

نظرًا لحجم القالب الأصغر ، وفقدان التبديل المنخفض ، وانخفاض التدهور الناتج عن درجات الحرارة المرتفعة ، فقد تم استخدام أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة العريضة (WBG) مثل كربيد السيليكون (SiC) على نطاق واسع في المحولات عالية الأداء [1]. بالإضافة إلى ذلك ، فهي تسمح بتردد تبديل أعلى ، مما يؤدي إلى تقليل تموج التيار [2,3] وحجم المكون الخامل [4,5].

ومع ذلك ، من أجل الاستفادة الكاملة من مزاياها ، تتطلب مجموعات البنك الدولي تصميمًا أكثر دقة ، مع مراعاة ما يلي:

• يؤدي حجم القالب الأصغر إلى المزيد من خسائر الطاقة المركزة
• لمنع الهروب الحراري ، هناك حاجة إلى طريقة تبريد فعالة
• يتم إنتاج المزيد من التجاوزات ، والتداخل الكهرومغناطيسي الموصلة ، والتداخلات الكهرومغناطيسية المشعة نتيجة لارتفاع معدلات التحويل
• مطلوب بذل جهد لتحقيق تصميم فعال لمرشح EMI
• يتطلب التخطيط التحسين الطفيلي
• يجب أن يظهر سائق البوابة متانة ضد الضوضاء.

يظهر التصميم المقترح من ثلاثة مستويات من النوع T المحايد (3L-TNPC) في الشكل 1. كلاهما مناسب لتطبيقات محرك المحرك والعاكسات الكهروضوئية ، يوفر هذا الهيكل خسائر تبديل أقل ، وكفاءة أعلى ، وتناسق كلي أفضل تشويه (THD) من طوبولوجيا عاكس من مستويين.

ومع ذلك ، كما هو الحال مع طبولوجيا مماثلة من ثلاثة مستويات ، فإنها تتأثر بالحث الشارد ذو حلقة الطاقة العالية ، والذي يولد تذبذبات كبيرة وتجاوزات في الجهد على أطراف الجهاز أثناء التبديل العابر. هذا ، بدوره ، يمكن أن يعرض عمر الجهاز للخطر عن طريق زيادة خسائر التبديل وتوليد ضوضاء EMI إضافية.

كما هو مبين في الشكل 2 ، فإن الحلول الحالية المستندة إلى طوبولوجيا المحول المحايد بنقطة T من النوع T ذي المستوى 3 (3L-TNPC) يمكن بالكاد تقليل محاثة حلقة الطاقة إلى أقل من 20.0 nH. لذلك يمكن استخدام مقاومة البوابة الأكبر للتخفيف من إجهاد التبديل ، على الرغم من أن هذا يقلل من الكفاءة أو يجعل النظام أكثر تعقيدًا.

لزيادة كثافة طاقة المحولات ، من الضروري وجود تكامل مضغوط لكشف الإشارات ودوائر التكييف. الحل الجديد عالي الأداء 450 كيلوواط المقترح في هذه المقالة ، استنادًا إلى SiC-MOSFETs المكونة في طوبولوجيا محول محايد بنقطة من النوع T من 3 مستويات ، يحقق محاثة أقل (Lstray ، busbar = 12 nH) مما يتيح سرعة تحويل أسرع ، وانخفاض فقدان التبديل ، وزيادة الكفاءة.

تصميم بسبار

يظهر النموذج الأولي ثلاثي الأطوار 450 كيلو وات في الشكل 3. نظرًا للتصميم المتماثل ، يمكن رؤية عرض تفصيلي لكل مرحلة.

يربط busbar ، الذي يظهر منظره المنفجر في الشكل 5 ، بين وحدات الطاقة والمكثفات لتشكيل طوبولوجيا 3L-TNPC.

تم اختيار مستشعرات الجهد الموضحة في الشكل 3 مع الأخذ في الاعتبار متطلبات محولات الطاقة ذات خصائص dv / dt العالية ، مثل عرض النطاق الترددي ، وسعة الحاجز المنخفض ، والحصانة العابرة ذات الوضع المشترك (CMTI).

نظرًا لأن تيار خرج RMS للمحول أعلى من 500 أمبير ، فإن مستشعرات التيار غير التلامسي مطلوبة لتجنب ارتفاع درجة الحرارة عند التوصيل البيني. ومع ذلك ، هناك مستشعرات تيار مغناطيسي أصغر ومستشعرات تيار القاعة التي تحتاج إلى مزيد من التحقيق.

يوضح الشكل 6 بنية نظام معالجة الإشارات. يتم توفير إمدادات الطاقة ، وكذلك إشارات الاستقبال والإرسال ، لجميع المكونات. يتم وضع مرشحات الوضع العام (CM) في عدة مواضع رئيسية لتجنب تشوهات الإشارة وأعطال الرقائق الرقمية.

يتم عرض أشكال موجة التبديل ، التي تم الحصول عليها باستخدام اختبار النبضة المزدوجة تحت مقاومة قيادة 1Ω بوابة ، في الشكل 7. وفقًا للنتائج التي تم توفيرها بواسطة اختبارات النبض المزدوج ، لوحظ تجاوز 30٪ فقط.

من خلال اختيار مقاومة بوابة مختلفة ، تم قياس خسائر التبديل وتلخيصها كما هو موضح في الشكلين 8 أ (خسارة الإيقاف) و 8 ب (خسارة التشغيل).

يتيح الحث الشارد لقضيب التوصيل المحسن سرعة قيادة بمقدار 1 درجة ، وبالتالي تقليل خسارة التبديل بنسبة 67.7٪. في ظل الاختبارات المستمرة ، تم تحقيق كفاءة تقدر بـ 99.47٪ عند 200 كيلو وات.

مراجع

^[1] Y. Yan، et al. ، “نموذج سلوك تحليلي لتحليل SiC MOSFET يأخذ في الاعتبار الحث الطفيلي وتأثير درجة الحرارة ،” 2020 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) ، نيو أورلينز ، لوس أنجلوس ، الولايات المتحدة الأمريكية ، 2020.

^[2] Z. Wang، et al.، “Current Ripple Analysis and Prediction for Three-Level T-Type Converter،” 2018 IEEE Energy Conversion and Exposition (ECCE)، Portland، OR، USA، 2018، pp.7251-7257.

^[3] H. Peng et al. ، “تعديل متجه للفضاء محسّن للتحكم في موازنة النقطة المحايدة في محولات النقطة المحايدة القائمة على المحولات الهجينة من النوع T مع الفقد وتقليل الجهد في الوضع المشترك ،” في معاملات CPSS على إلكترونيات الطاقة و التطبيقات ، المجلد. 4 ، لا. 4 ، ص 328-338 ، ديسمبر 2019.

^[4] Z. Wang ، وآخرون ، “محول DC-DC متكامل ثنائي المرحلة يعتمد على أجهزة GaN مع تنظيم الجهد ،” 2020 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) ، نيو أورلينز ، لوس أنجلوس ، الولايات المتحدة الأمريكية ، 2020 ، ص 2219- 2224 ، دوى: 10.1109 / APEC39645.2020.9124549.

^[5] Z. Zhang ، وآخرون ، “محول الرنين CLLC عالي الكفاءة وعالي الطاقة والكثافة مع السعة المنخفضة الشاردة ومحول مستوٍ جيد التبديد للحرارة لشاحن EV على متن الطائرة” ، في IEEE Transactions on Power Electronics ، المجلد . 35 ، لا. 10 ، ص 10831-10851 ، أكتوبر 2020.

ظهر العاكس القائم على SiC عالي الكفاءة 3-Phase مع طوبولوجيا 3L-TNPC لأول مرة في Power Electronics News.