碳化硅器件在直流充电桩中的应用研究
发布时间：2022-02-17 01:02
碳化硅功率器件具有开关频率高、高耐温和低损耗的特性优势,可以有效提高系统效率和功率密度,因此在直流充电桩电源模块中具有广阔的应用前景。这里首先根据直流充电桩行业标准,提炼完善其电源模块的技术指标。其次,为了满足电动汽车快速充电需求,研究了一种基于全碳化硅功率器件的电源模块。最后,通过实验验证全碳化硅电源模块在效率和功率密度方面的优势,证明了碳化硅功率器件在直流充电桩领域应用的可行性。
【文章来源】：电力电子技术. 2020,54(03)北大核心CSCD
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
图１全碳化硅功率模块拓扑结构??Ｆｉｇ．?１?Ａｌｌ?ＳｉＣ?ｐｏｗｅｒ?ｍｏｄｕｌｅ?ｔｏｐｏｌｏｇｙ??
构??Ｆｉｇ．?１?Ａｌｌ?ＳｉＣ?ｐｏｗｅｒ?ｍｏｄｕｌｅ?ｔｏｐｏｌｏｇｙ??４?实验验证??为了进一步验证全碳化硅电源模块的实用??性，在此基于全碳化硅功率器件开发了一款电源??模块，详细参数为：交流输入电压（３８０±１５％）?Ｖ，??５０?Ｈｚ；直流输出电压３００￣７５０Ｖ；前级开关频率??４２?ｋＨｚ；后级开关频率１２０？４００?ｋＨｚ；额定输出功率??３０ｋＷ；功率密度２．４８?ｋＷ．Ｌ－１。进一步以此实验平??台进行实验研宄。??４．１电源模块启动性能实验??图２为全碳化硅电源模块启动实验结果，输??出电压＾从零上升到额定７５０?Ｖ，该暂态过程持??续时间约５?ｓ，具有适宜的启动时间。进一步分析??可以发现，该启动过程平稳无振荡，有效保证了直??流充电粧的安全稳定运行。??图２电源模块启动中的输出电压??Ｆｉｇ．?２?Ｏｕｔｐｕｔ?ｖｏｌｔａｇｅ?ｄｕｒｉｎｇ?ｐｏｗｅｒ?ｍｏｄｕｌｅ?ｓｔａｒｔｕｐ??４．２?电源模块满载稳定运行实验??图３为全碳化硅电源模块额定满载运行的波??形。１４乂分别为输入全碳化硅电源模块的三相??交流电流。由此可见，全碳化硅电源模块稳定运行??时，输入的交流电流具有良好的正弦度，不会对电??网造成严重的谐波污染。??图４效率曲线??Ｆｉｇ．?４?Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ?ｃｕｒｖｅ??４．４与传统硅器件方案的对比??目前常用的直流充电桩电源模块基于硅器件??进行设计开发，这里将全碳化硅电源模块与３款??市场主流的全硅电源模块进行功率（下转第１２６？）??＾ｏｕｌ??ａａａａａａａ??■ｏａｗ）??ＡＡＡＡＡＡＡ／??（審?ｓｒｓｏ／一
第５４卷第３期??２０２０年３月??电力电子技术??Ｐｏｗｅｒ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ??Ｖｏｌ．５４，?Ｎｏ．３??Ｍａｒｃｈ?２０２０??ｆ／（１０?ｍｓ／格）??图３电源模块满载运行波形??Ｆｉｇ．?３?Ｐｏｗｅｒ?ｍｏｄｕｌｅ?ｆｕｌｌ?ｌｏａｄ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｗａｖｅｆｏｒｍｓ??４．３电源模块效率曲线??实测效率曲线如图４所示。由于辅助供电的??存在，全碳化硅电源模块的效率７７在超轻载情况??下较低，随着输出功率／＾增加，效率逐渐提高到??正常水平。在接近满载时，由于磁性元件和功率器??件的工作状态逼迫到效率有轻微下降，这里所提??的全碳化硅电源模块在较宽功率范围内均具有较??高的效率，峰值效率为９６．４８％，可以满足大部分??实用充电工况的需求。??由于国家并没有针对充电模块提出相关的行??业标准，但充电模块作为直流充电桩的核心部件，??因此行业内均按照直流充电粧的行业标准要求充??电模块，要求充电模块需满足直流充电桩行业标??准中的技术指标，充电模块在国标范围内的基本??性能参数为：交流输入电压（３８０±１５％）?Ｖ，５０Ｈｚ；??直流输出电压３００￣７５０?Ｖ；交流电压纹波：峰－峰??值＜１％，有效值＜０．５％；稳压精度＜１％；当输出电??流＜３０?Ａ时，稳流精度＜０．３?Ａ，当输出电流＞３０?Ａ??时，稳流精度＜１％；工作温度－２５￣５０?Ｔ；噪声＜６０?ｄＢ，??效率＞９３％；当半载及以上时：输入电流总谐波畸??变率（ＴＨＤ）＜８％，当满载时：７７／／）＜５％；当半载及??以上时，功率因数＞０．９８，功能为恒压／限流。基于??基本性能参数，这里基于全碳化硅功率器件设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]高速SiC MOSFET开关特性的测试方法[J]. 梁美,李艳,郑琼林,赵红雁. 电工技术学报. 2017(14)
[2]国家“十三五”交通领域科技创新专项规划发布[J]. 郭嘉文. 广东交通. 2017 (03)
[3]基于同步逆变器的电动汽车V2G智能充放电控制技术[J]. 刘东奇,钟庆昌,王耀南,梁英. 中国电机工程学报. 2017(02)
[4]用于精确预测SiC MOSFET开关特性的分析模型[J]. 梁美,郑琼林,李艳,巴腾飞. 电工技术学报. 2017(01)
[5]SiC MOSFET、Si CoolMOS和IGBT的特性对比及其在DAB变换器中的应用[J]. 梁美,郑琼林,可翀,李艳,游小杰. 电工技术学报. 2015(12)
本文编号：3628939
【文章来源】：电力电子技术. 2020,54(03)北大核心CSCD
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
图１全碳化硅功率模块拓扑结构??Ｆｉｇ．?１?Ａｌｌ?ＳｉＣ?ｐｏｗｅｒ?ｍｏｄｕｌｅ?ｔｏｐｏｌｏｇｙ??
构??Ｆｉｇ．?１?Ａｌｌ?ＳｉＣ?ｐｏｗｅｒ?ｍｏｄｕｌｅ?ｔｏｐｏｌｏｇｙ??４?实验验证??为了进一步验证全碳化硅电源模块的实用??性，在此基于全碳化硅功率器件开发了一款电源??模块，详细参数为：交流输入电压（３８０±１５％）?Ｖ，??５０?Ｈｚ；直流输出电压３００￣７５０Ｖ；前级开关频率??４２?ｋＨｚ；后级开关频率１２０？４００?ｋＨｚ；额定输出功率??３０ｋＷ；功率密度２．４８?ｋＷ．Ｌ－１。进一步以此实验平??台进行实验研宄。??４．１电源模块启动性能实验??图２为全碳化硅电源模块启动实验结果，输??出电压＾从零上升到额定７５０?Ｖ，该暂态过程持??续时间约５?ｓ，具有适宜的启动时间。进一步分析??可以发现，该启动过程平稳无振荡，有效保证了直??流充电粧的安全稳定运行。??图２电源模块启动中的输出电压??Ｆｉｇ．?２?Ｏｕｔｐｕｔ?ｖｏｌｔａｇｅ?ｄｕｒｉｎｇ?ｐｏｗｅｒ?ｍｏｄｕｌｅ?ｓｔａｒｔｕｐ??４．２?电源模块满载稳定运行实验??图３为全碳化硅电源模块额定满载运行的波??形。１４乂分别为输入全碳化硅电源模块的三相??交流电流。由此可见，全碳化硅电源模块稳定运行??时，输入的交流电流具有良好的正弦度，不会对电??网造成严重的谐波污染。??图４效率曲线??Ｆｉｇ．?４?Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ?ｃｕｒｖｅ??４．４与传统硅器件方案的对比??目前常用的直流充电桩电源模块基于硅器件??进行设计开发，这里将全碳化硅电源模块与３款??市场主流的全硅电源模块进行功率（下转第１２６？）??＾ｏｕｌ??ａａａａａａａ??■ｏａｗ）??ＡＡＡＡＡＡＡ／??（審?ｓｒｓｏ／一
第５４卷第３期??２０２０年３月??电力电子技术??Ｐｏｗｅｒ?Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ??Ｖｏｌ．５４，?Ｎｏ．３??Ｍａｒｃｈ?２０２０??ｆ／（１０?ｍｓ／格）??图３电源模块满载运行波形??Ｆｉｇ．?３?Ｐｏｗｅｒ?ｍｏｄｕｌｅ?ｆｕｌｌ?ｌｏａｄ?ｏｐｅｒａｔｉｏｎ?ｗａｖｅｆｏｒｍｓ??４．３电源模块效率曲线??实测效率曲线如图４所示。由于辅助供电的??存在，全碳化硅电源模块的效率７７在超轻载情况??下较低，随着输出功率／＾增加，效率逐渐提高到??正常水平。在接近满载时，由于磁性元件和功率器??件的工作状态逼迫到效率有轻微下降，这里所提??的全碳化硅电源模块在较宽功率范围内均具有较??高的效率，峰值效率为９６．４８％，可以满足大部分??实用充电工况的需求。??由于国家并没有针对充电模块提出相关的行??业标准，但充电模块作为直流充电桩的核心部件，??因此行业内均按照直流充电粧的行业标准要求充??电模块，要求充电模块需满足直流充电桩行业标??准中的技术指标，充电模块在国标范围内的基本??性能参数为：交流输入电压（３８０±１５％）?Ｖ，５０Ｈｚ；??直流输出电压３００￣７５０?Ｖ；交流电压纹波：峰－峰??值＜１％，有效值＜０．５％；稳压精度＜１％；当输出电??流＜３０?Ａ时，稳流精度＜０．３?Ａ，当输出电流＞３０?Ａ??时，稳流精度＜１％；工作温度－２５￣５０?Ｔ；噪声＜６０?ｄＢ，??效率＞９３％；当半载及以上时：输入电流总谐波畸??变率（ＴＨＤ）＜８％，当满载时：７７／／）＜５％；当半载及??以上时，功率因数＞０．９８，功能为恒压／限流。基于??基本性能参数，这里基于全碳化硅功率器件设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]高速SiC MOSFET开关特性的测试方法[J]. 梁美,李艳,郑琼林,赵红雁. 电工技术学报. 2017(14)
[2]国家“十三五”交通领域科技创新专项规划发布[J]. 郭嘉文. 广东交通. 2017 (03)
[3]基于同步逆变器的电动汽车V2G智能充放电控制技术[J]. 刘东奇,钟庆昌,王耀南,梁英. 中国电机工程学报. 2017(02)
[4]用于精确预测SiC MOSFET开关特性的分析模型[J]. 梁美,郑琼林,李艳,巴腾飞. 电工技术学报. 2017(01)
[5]SiC MOSFET、Si CoolMOS和IGBT的特性对比及其在DAB变换器中的应用[J]. 梁美,郑琼林,可翀,李艳,游小杰. 电工技术学报. 2015(12)
本文编号：3628939
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