軌道交通列車碳化硅充電機器件損耗計算方法

牛 闖

(中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥高級工程師)

0 引言

充電機是城市軌道交通列車的重要組成部分，在正常工作情況下，為車載蓄電池充電；在緊急情況下，可為控制電路、應急照明等設備提供不間斷的能源供應；同時列車的日常運行中，還為整列車的直流負載提供能源[2-3]。

硅基功率半導體器件在電力電子領域一直占據著主導地位。但是，由于硅材料本身的局限性，以及硅材料器件的制備與加工工藝的日益完善與不斷優化，硅材料器件性能已逐漸接近了硅材料本身的應用極限，未來的發展潛力也越來越小，已經無法滿足人們對電能的要求[4]。與傳統的硅基半導體材料相比，新型的碳化硅半導體材料為寬禁帶半導體，具有高臨界電場、低導通電阻以及高導熱率等優勢。寬禁帶(是硅的2～3倍)提高了功率半導體器件的工作溫度和可靠性；高擊穿場強(是硅的10倍)提高了功率半導體器件的耐壓，減小了功率半導體器件的尺寸；高熱導率(是硅的3倍)提高了功率半導體器件的功率密度；高飽和電子漂移速度(是硅的2倍)提高了功率半導體器件的開關頻率；其較強的抗輻射能力，更適合在強輻射環境中使用[9]。將碳化硅功率半導體器件的應用于充電機中，可以有效提高開關頻率，降低輸出電壓紋波，減小充電機體積，提高功率密度[5]。Si(硅)和SiC(碳化硅)的性能對比如表1所示。

表1 Si和和SiC性能對比表

本文通過理論分析得出充電機中碳化硅器件的損耗模型，通過PLECS軟件進行仿真，最后通過搭建碳化硅充電機平臺進行損耗試驗，將試驗值、計算值、仿真值進行對比驗證。

1 碳化硅場效應管模塊損耗模型

1.1 開關損耗

開關管在開通、關斷時，由于漏源極電壓與漏極電流曲線在上升和下降的過程中會出現交截，因而會產生開通和關斷損耗[10]。開關損耗計算公式為：

Pswitch=fs(Eon+Eoff)

(1)

式中：

Pswitch——開關損耗；

fs——開關管工作頻率；

Eon，Eoff——分別為開關單次開通損耗和關斷損耗，可根據器件的數據手冊資料查到。

1.2 驅動損耗

驅動損耗是驅動電壓給開關管柵源極寄生電容充放電的過程中產生的損耗，與驅動電壓、開關管的工作頻率和柵源極寄生電容的大小有關，開關管的驅動損耗技術公式為：

Pdrive=Vg(on)Qgfs

(2)

式中：

Pdrive——驅動損耗；

Qg——開關管的柵極總電荷；

Vg(on)——柵極驅動電壓。

1.3 導通損耗

開關管導通時，其導通電阻值RDS(on)近似恒定不變，因此開關管的導通損耗Pmos(on)主要受變壓器原邊電流IT與導通時間影響。Pmos(on)的計算公式為：

(3)

式中：

D(t)——開關管占空比。

1.4 體二極管損耗

二極管的導通時間比為(1-D(t))，因此二極管的導通損耗PDiode(on)計算公式為：

PDiode(on)=(0.5-D(t))ITUf

(4)

式中：

Uf——體二極管導通壓降。

體二極管關斷時不能立刻截止，需要一定的反向恢復電流降為零才能恢復阻斷狀態，二極管的反向恢復損耗近似計算公式為：

PDiode(off)=fsUDQrr

(5)

式中：

UD——體二極管反向截止電壓平均值；

Qrr——反向恢復充電電荷量。

1.5 碳化硅場效應管模塊總損耗

因碳化硅模塊驅動損耗較小，故忽略不計。單個碳化硅場效應管模塊的主要損耗總和PQ計算公式：

PQ=Pmos(on)+Pswitch+PDiode

(6)

2 基于PLECS軟件的仿真模型

2.1 碳化硅場效應管模塊損耗模型建立

場效應管選型采用了科瑞官網的熱阻模型，該模型包含有碳化硅場效應管的開通損耗、關斷損耗、導通損耗以及體二極管的導通損耗。

在PLECS軟件中建立場效應管模塊的熱模型。在該模型中，開通損耗和關斷損耗可以用一個3D數據表格來描述，即依據功率模塊數據手冊填入在不同測試溫度、不同輸入電壓下流經場效應管特定電流時的損耗數據[6-7]。碳化硅器件開關損耗模型如圖1所示。

導通損耗可以用一個二維數據表格來描述，用以表示不同電流流經場效應管和其本身自帶的反并聯體二極管時，場效應管模塊的漏源兩端所承受的正向導通壓降的大小，再經計算便可以得出器件的損耗。場效應管和其體二極管導通電壓-電流曲線如圖2所示。

圖2 不同溫度的場效應管和其體二極管導通電壓-電流曲線

2.2 仿真驗證

SiC充電機中功率模塊采用科瑞公司型號為CAS120M12BM2的模塊，該模塊的具體參數如表2所示。

表2 SiC充電機功率模塊參數

SiC充電機原、副邊均采用全橋結構，副邊還包含濾波電感、電容。SiC充電機仿真模型如圖3所示。該仿真模型設計參數如表3所示。

圖3 SiC充電機仿真模型

表3 SiC充電機仿真模型設計參數

仿真模型搭建完成后，對各個階段輸出波形進行觀測。SiC充電機不控整流部分輸入電壓Uin波形如圖4所示。SiC充電機副邊濾波后輸出電壓Uout波形如圖5所示。

圖4 SiC充電機不控整流部分電壓波形

圖5 SiC充電機副邊濾波后輸出電壓波形

對原邊場效應管模塊損耗進行仿真計算[8]。再通過損耗模型進行計算，最后進行結果對比。代入碳化硅場效應管器件模塊(CAS120M12BM2)的關斷時間參數與輸出電容參數。在fs=50 kHz情況下，計算可得開關損耗為：

Pswitch=50 kHz×(1.1 mJ+0.2 mJ)=65 W

輸入電流隨負載功率變化，原邊電流有效值為29.7 A，占空比為0.45，代入碳化硅器件(CAS120-M12BM2模塊)的導通電阻參數，則計算可得單個碳化硅MOSFET模塊的導通損耗為：

Pmos(on)=29.7 A2×13×10-3Ω×0.45=5.16 W

表4 碳化硅場效應管模塊損耗計算值與仿真值對比表

因開關損耗過程時間短，計算模型過于理想化，導致誤差偏大。但導通損耗誤差較小，證明導通損耗模型精確度高。開關損耗誤差仍在可控范圍內，可為充電機系統設計提供一定參考。

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺搭建

為驗證前文所提SiC充電機損耗計算模型的合理性，研制了一臺SiC充電機。該充電機包括不控整流、軟啟動、主控系統以及全橋DC-DC 4部分，如圖6所示。該充電機設計參數如表5所示。

圖6 SiC充電機實驗平臺

表5 SiC充電機設計參數

3.2 試驗結果分析

對所研制的SiC充電機進行功能驗證，包括軟啟動試驗、帶載試驗和損耗試驗。

1) 軟啟動波形：輸入三相交流電壓后，SiC充電機開始軟啟動過程，輸出電壓如圖7所示。

圖7 SiC充電機軟啟動輸出電壓波形

由圖7可見，該充電機輸出電壓在5 s內平緩上升至95 V左右，符合軟啟動設計預期。在實際應用中，軟啟動時間設置略大于仿真模型中的軟啟動時間。

2) 帶載試驗：為了驗證該充電機是否滿足設計要求，是否與滿載時的理論分析結果一致，通過功率損耗測試試驗，分別測試該充電機不同負載情況下的效率。該充電機不同負載情況下的輸出電壓、輸出電流、輸出功率和輸入功率如圖8所示。

圖8 SiC充電機帶載輸出能力截圖

3) 損耗試驗：器件的開關損耗與器件的工作頻率正相關。通過提升SiC充電機的開關頻率發現器件損耗隨開關頻率增加而逐漸增加。通過測量功率模塊兩端的電壓電流，將電壓與電流的乘積視為SiC充電機的功率損耗。該充電機功率損耗的試驗值、仿真值、計算值如圖9所示。

圖9 不同頻率下單個SiC MOSFET模塊的試驗值、仿真值和計算值對比圖

由圖9中可見，該充電機功率損耗的試驗值、仿真值、計算值較為吻合。誤差是由仿真模型、計算模型與試驗中的差異造成的。由于三者之間的差異較小，因此計算模型仍對SiC充電機損耗預測有著較高可信度。

4 結語

本文基于PLECS軟件提出了一種碳化硅充電機功率模塊損耗計算方法，給出了SiC MOSFET模塊的開關損耗、導通損耗、驅動損耗和體二極管導通損耗的計算方法，并對比分析了MOSFET模塊開關損耗和導通損耗的計算值與仿真值，結果表明：碳化硅器件的開關損耗和導通損耗模型可為系統設計提供參考，其中導通損耗模型精確度高。對所研制的 SiC充電機進行了功能驗證，對比分析了該充電機功率損耗的試驗值、仿真值、計算值，結果表明：通過計算模型能夠預測充電機功耗，而且效果優于仿真模型的。