用于輕型牽引車中儲能系統(tǒng)的半導(dǎo)體解決方案介紹

想要滿足這些特殊要求，可以使用基于鋰離子牽引電池或超級電容器的儲能系統(tǒng)，為了充分利用存儲系統(tǒng)的能力，有必要采用合適的功率轉(zhuǎn)換器，來同時管理充電和消耗中的能量流。這個要求與DC-DC轉(zhuǎn)換器相關(guān)，DC-DC轉(zhuǎn)換器必須在潛在的高工作溫度下，處理大量的循環(huán)負(fù)載。

在沒有電車電源的情況下，對于輕型牽引車臨時操作能力的要求是常見的功能特性。在許多歷史悠久的城市市中心地區(qū)，經(jīng)常缺乏接觸電車網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，但是會經(jīng)常使用這種運作模式。它也適用于分開線路之間的連接，也是在電力中斷期間，緊急操作車輛所需的功能。此外，它還需要低噪音、高舒適度、零排放的運行，排除過去常用的柴油電動傳動系統(tǒng)。

采用電動／電動混合方法則可滿足上述的所有要求。

在這種要求下，采用牽引電池或超級電容器來做為能量存儲系統(tǒng)，可為電力傳動系提供調(diào)節(jié)的電力。

在列車頂部單元的內(nèi)部，是用于管理進(jìn)出電池能量流的DC-DC轉(zhuǎn)換器，是電力電子系統(tǒng)的一部分。

該轉(zhuǎn)換器是一種緊湊的、通常采用強制風(fēng)冷的動力裝置。電氣設(shè)備的發(fā)展重點，則是為使用牽引電池或超級電容器的電源轉(zhuǎn)換器尋找最佳的解決方案。為滿足這些需求，必須要符合以下幾點規(guī)范：

1）在電車模式下，必須能夠從直流電車系統(tǒng)中，充分控制能量存儲器的充電。這與400VDC至1000VDC的輸入電壓范圍相關(guān)。

2）在電池模式下，必須做好電流從電池到推進(jìn)逆變器、輔助轉(zhuǎn)換器和車輛電池充電器的良好控制。

3）在這兩種模式下，即使暴露在相對較高的溫度和強制空氣冷卻能力有限的情況下，也必須能夠安全處理短暫但又具重復(fù)性的200kW負(fù)載突發(fā)至少60秒的時間。

4）實現(xiàn)高運行效率，同時在均勻的低重量下占用較小的體積。

為了滿足規(guī)范1和2的要求，并且根據(jù)邊界條件，直流斬波器需要考慮兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

如果能量存儲系統(tǒng)的運行值高于或低于電車電壓水平，則必須使用2象限直流斬波器，適用方案如圖2所示。

如果儲能系統(tǒng)的電壓始終低于電車電壓，則最合適的是降壓- 升壓直流斬波器，如圖3所示。

在電車模式下，轉(zhuǎn)換器做為降壓斬波器工作，提供的電壓低于無軌電車內(nèi)部系統(tǒng)的電車電源。在電池模式下，轉(zhuǎn)換器用作升壓斬波器，為電氣系統(tǒng)提供高于存儲系統(tǒng)輸出的電壓。

為了滿足規(guī)范3和4，則需要合適的功率半導(dǎo)體器件。解決方案需要采用1700 V級IGBT模塊，以支持足夠的電流范圍，擁有較低導(dǎo)通和開關(guān)損耗，以及具有低熱阻的堅固封裝。另外，還要求系統(tǒng)級的較佳成本和性能比。

屬于PrimePACK?系列的IGBT模塊配備了第四代IGBT/FWD芯片，是一種合適的解決方案。該IGBT模塊系列包括1200 V和1700 V級半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的IGBT，提供600 A至1400 A的標(biāo)稱電流。模塊提供兩種耐用的穩(wěn)固封裝，均配有集成的NTC傳感器以擷取模塊的底板溫度。

如圖4所示，這些組件專用于重載移動應(yīng)用，并允許考慮為可擴展設(shè)計。

為了實現(xiàn)IGBT模塊的安全操作和全功率利用，需要選擇合適的柵極驅(qū)動器。評估時，2ED250E12_F雙通道IGBT驅(qū)動器以及增強級MA300E17，可用于幫助設(shè)計人員開發(fā)專用解決方案，兩種器件都可以在圖5中看到。

功率部分的熱狀況需要實施最精確的熱測量到控制策略中，以在不超過規(guī)定的操作極限的情況下，最大限度地利用功率。

通常，散熱器的表面溫度已經(jīng)使用外部溫度傳感器來進(jìn)行監(jiān)控。基于該反饋，轉(zhuǎn)換器的功率輸出已由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。然而，IGBT模塊的底板溫度明顯會更高，因此內(nèi)部的敏感晶體管和二極管芯片的溫度也會更高。出于安全原因，必須選擇相當(dāng)保守的溫度值來觸發(fā)轉(zhuǎn)換器輸出功率的降低。

為了獲得更準(zhǔn)確的信息，監(jiān)測熱負(fù)荷和觸發(fā)過熱保護(hù)的設(shè)計，應(yīng)使用IGBT模塊內(nèi)部NTC測量的溫度。

該方法提供了關(guān)于實際操作中半導(dǎo)體熱負(fù)載更真實的觀察，特別是如果精準(zhǔn)地確定芯片溫度和NTC讀數(shù)之間的熱相關(guān)性，便可以推斷出靜態(tài)操作下的穩(wěn)固信息。

目前輕型牽引車中的牽引電池或超級電容器等儲能系統(tǒng)的數(shù)量正在不斷增加，可以保守地假設(shè)，對直流轉(zhuǎn)換器功率容量的更高要求將成為趨勢。同時，也存在降低其重量和尺寸的壓力，以及包括更平穩(wěn)的直流扼流圈。為了在不久的將來滿足這些要求，新型IGBT模塊將采用英飛凌.XT技術(shù)的第5代IGBT模塊形式，將可提供絕佳的選擇。

與現(xiàn)有模塊相比，這些新型模塊具有更高的性能。由于具有較低的總功率損耗，因此有更高25℃的結(jié)溫Tvjopmax = 175℃，模塊具有更高的功率密度。預(yù)計在相同的面積下，輸出功率至少高出30%。因此可以設(shè)計出具有相同類型IGBT模塊封裝的更高性能轉(zhuǎn)換器，從而減少重新設(shè)計和升級的工作量。

此外，由于先進(jìn)的互連技術(shù)，基于.XT技術(shù)的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)，在功率和熱循環(huán)負(fù)載方面，實現(xiàn)了顯著更高的使用壽命。

從中期來看，評估重點是基于最近推出的Trench技術(shù)中，基于碳化硅（SiC）MOSFET功率組件的應(yīng)用。由于這些組件的特殊性能，特別是與Si IGBT模塊相比具有相當(dāng)?shù)偷拈_關(guān)損耗，因此對采用這種功率組件的直流斬波器性能將有一些改進(jìn)：

• 開關(guān)頻率超過20 - 30 kHz時輸出功率更高，同時降低了斬波器的體積

• 更高的效率和更低的能耗，對冷卻系統(tǒng)的尺寸和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生積極影響

? 由于高開關(guān)頻率，大大減小了無源組件的尺寸和重量，例如功率薄膜電容器和直流扼流圈

? 顯著降低噪音

? 具有相同輸出功率的轉(zhuǎn)換器冷卻要求將顯著降低，從而減小散熱器和風(fēng)扇的尺寸和重量。反之亦然，具有相同尺寸的轉(zhuǎn)換器預(yù)計具有更高的輸出功率

專用電源單元必須能夠正確運行能量存儲系統(tǒng)，尤其是在敏感的移動應(yīng)用中。除了電氣性能、功率密度和效率之外，還必須特別注意循環(huán)負(fù)載產(chǎn)生的后果。除了優(yōu)化冷卻和控制功率流之外，現(xiàn)代功率半導(dǎo)體解決方案還可以減少損耗，從而減少有限空間內(nèi)的功耗。寬帶隙材料具有出色的電氣性能，較高的開關(guān)頻率有助于減少磁性組件中使用的材料量。盡管半導(dǎo)體開發(fā)方面的所有創(chuàng)新，適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計，精確的溫度測量和合適的熱模型，仍然是電力電子組件開發(fā)流程的重要組成部分。