有轨电车全SiC辅助变流器设计与研究

发布时间：2020-09-24 19:10

　　辅助变流器是现代有轨电车车辆的重要组成部分,其效率和功率密度一直是人们关注的重点。随着新型SiC器件的发展,应用SiC器件的电力电子系统在开关频率、效率、功率密度等方面均取得了重大突破。本文围绕全SiC辅助变流器系统的设计与研制,完成了 SiC器件工作特性的研究和损耗模型的建立,完成了辅助变流器拓扑结构的损耗模型搭建、优化设计、开关频率选择、控制方案设计与仿真验证,最终完成了 40kVA全SiC辅助变流器样机的研制与调试,并与原Si系统做了对比和分析。本文首先对SiC MOSFET的器件特性进行了研究,对同等级SiC/Si器件做了测试对比,测试内容包括:开关损耗、饱和压降和二极管正向压降,测试结果表明SiC MOSFET具有低饱和压降和低开关损耗的优良特性,然后基于SiC MOSFET器件开关过程推导了器件损耗计算方法,得到了测试数据的验证。然后针对全SiC辅助变流器,通过损耗模型对DC/DC模块结构进行了优化选择、对整流管电压振荡机理及抑制方案进行了研究、分析和优化选择,确定系统拓扑结构为移相全桥变换器+RCD缓冲吸收电路+三相逆变器,确定系统开关频率为:DC/DC模块为40kHz,DC/AC模块为10kHz;然后完成了主电路参数设计和控制系统设计,在样机设计过程中,利用Matlab、PSIM和PLECS软件分别对主电路参数和控制策略、整流管电压振荡抑制方案和系统损耗进行了仿真验证。最后是对40kVA的全SiC辅助变流器的实验验证,分别完成了样机的额定工况实验、整流管电压振荡抑制方案效果验证和系统损耗分布的测量,并对比了Si/SiC系统尺寸和关键元件尺寸,得到结论:应用SiC器件后,辅助变流器的效率提高1.76%,功率密度提高50%。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM46;U482.1
【部分图文】：

物理特性,器件

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋Ｓｉ邋ａｎｄ邋ＳｉＣ逡逑根据这两种材料的物理特性对比，我们可以得到以下几点关于ＳｉＣ器件的优逡逑良特性：逡逑（１）耐高温特性逡逑ＳｉＣ拥有高度稳定的晶体结构，禁带宽度达到３．２ｅＶ，是Ｓｉ材料的２倍以上，逡逑这使得ＳｉＣ材料能够承受更高温度，理论上讲，ＳｉＣ器件所能达到的最大工作温度逡逑为邋６００。。。逡逑（２）导热性能好逡逑ＳｉＣ材料的热导性优于Ｓｉ材料，在相同工况下，可以减轻对散热系统的要求，逡逑提高系统的功率密度和降低系统成本。逡逑（３）高频特性逡逑ＳｉＣ拥有２倍于Ｓｉ的饱和电子漂移速度，而漂移速度决定了器件能够达到的逡逑开关频率，这使得ＳｉＣ器件能在更高频率下工作。如ＳｉＣ器件ＣＡＳ３００Ｍ１７ＢＭ２逡逑工作频率可达２００ｋＨｚ，而同等级的Ｓｉ器件最高为１００ｋＨｚ。逡逑（４）低损耗特性逡逑

牵引逆变器,功率模块

逑东京地铁银座线３７列“０１系”车辆中应用了采用１７００Ｖ／１２００Ａ的混合ＳｉＣ功率模块逡逑的逆变器，如图１－３所示，带来的效果是列车电力再生率提高了邋７．５％［４６］。此后，逡逑东京地铁银座线的１０００系、东西线１５０００系列车都陆续在车辆的牵引系统或辅助逡逑电源系统中采用了混合ＳｉＣ功率模块。逡逑ｆ逦ｆ逦罾」Ｊ逦—＾４桘逡逑，邋＂薄：逦－邋尊逡逑ｒｒｎｊ邋＇ｒ逦＾逦＾逦ｉyU》事明热＾师}0yU}0於叫．明＂。？明ｗｍｗ＂．、．逦８臂逡逑１邋＿邋１邋Ｗｉｉ１１逡逑一￣■邋ｉｊ逡逑图１－３采用１７００Ｖ／１２００Ａ混合ＳｉＣ模块的逆变器逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｒａｃｔｉｏｎ邋ｉｎｖｅｒｔｅｒ邋ｗｉｔｈ邋１７００Ｖ／１２００Ａ邋ｈｙｂｒｉｄ邋ＳｉＣ邋ｍｏｄｕｌｅｓ逡逑２０１４年，三菱电机制造的采用３３００Ｖ／１５００Ａ的全ＳｉＣ器件的牵引逆变器（图逡逑１－４）成功在日本的小田急电铁新型１０００系通勤车辆中应用，该新型逆变器的开关逡逑损耗降低约５５％，体积和重量减小６５％【４Ｍ８］，装机测试结果显示：应用全ＳｉＣ逆逡逑变器后，车辆运行时的电能消耗得到降低（定员时可削减２０％，满员时可削减约逡逑３６％）。逡逑１？＾逦二逡逑ｉｉ！！：ｉ：；；：ｉｓ：Ｕｓｌ邋■：：：■邋：Ｆｉｗ＊ｍｎ＾逡逑：ＭｐＵ，邋ｉ邋４逡逑＿８＾ｋ邋一逡逑图１－４采用３３００Ｖ／１５００Ａ全ＳｉＣ模块的牵引逆变器逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｔｒａｃｔｉｏｎ邋ｉｎｖｅｒｔｅｒ邋ｗｉｔｈ邋３３００Ｖ／１５００Ａ邋ａｌｌ－ＳｉＣ邋ｍｏｄｕｌｅｓ逡逑２０１４年

逆变器,牵引逆变器,功率模块,东京

【参考文献】