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基于碳化硅半导体的DC-DC转换器实现高效率

作者: 浮思特科技2024-05-21 14:41:27

  目前由内燃机驱动的农业和建筑机械的电气化对于减少排放做出了重要贡献。可再生能源的逐步扩展意味着未来可以完全避免破坏气候的排放。

  因此,MUSICel 研究项目的目标是研究和测试创新组件和方法,为农业和建筑机械提供高效、本地零排放的能源供应。供电系统的核心是集成到车辆中的移动式紧凑型高性能DC -DC 转换器。

碳化硅半导体

  作为 MUSiCel 项目的一部分,实现了电流隔离电压转换器。参与项目的合作伙伴包括英飞凌科技股份公司、STS Spezial-Transformatoren-Stockach GmbH & Co. KG、汉诺威大学驱动系统和电力电子研究所以及弗劳恩霍夫能源经济和能源系统技术研究所 IEE。该项目由联邦经济和气候保护部 (BMWK) 资助,并由于利希项目管理公司 (PtJ) 监督。

  通过使用创新的碳化硅(SiC) 宽带隙半导体,实现了 250 kW 输出功率和 50 kHz 开关频率的独特组合。整个功率范围内的效率超过 98%。在 100 kW 时,测得效率甚至高达 98.8%。开发的转换器具有早期原型的状态。项目结果表明,通过使用SiC功率半导体,可以实现高功率、高开关频率且效率非常好的DC-DC转换器。

碳化硅半导体

  “关于电压转换器的进一步开发,可以想象在所谓的 ISOP 配置中互连四个转换器级。这会将中压电压提高到 8 kV,” Fraunhofer IEE 的项目经理 Anton Gorodnichev说道。“这种进一步的开发可以作为后续项目进行。例如,优化安装空间和功率密度将会很有趣。”

  相对于 IGBT 的优势

  该项目的另一个特点是使用 3.3 kV SiC MOSFET模块,由英飞凌首先开发和优化。这些模块在 MUSiCel DC-DC 转换器中的成功使用证实了这些模块适用于高功率和电压的应用。这些创新模块在 PCIM 2023 展会上向公众展示。与 IGBT 相比,SiC 模块具有更低的通态电阻,并且开关时间显着缩短。因此,在标称和部分负载操作中都可以减少半导体损耗。除了农业和建筑机械外,这些功率半导体还可用于有轨电车和火车的动力系统中。现代中压固态变压器还可以通过使用 SiC MOSFET 模块进一步优化效率。

  高功率和高开关频率的结合对于移动应用非常重要。只有通过高开关频率才能显着减小电感和电容元件的尺寸。然而,这会导致转换器中的高损耗,因为每次开关操作都会在断路器中产生能量损耗。通过使用基于 SiC 的功率开关、谐振拓扑和转换器的优化控制,可以显着降低这些损耗。谐振拓扑使用串联谐振中间电路在变压器中产生几乎正弦的电流。这意味着原本有损耗的开关过程可以在零电流下发生,因此实际上是无损耗的。

  DC-DC转换器的输入电压为2kV。通过串联四个相同的转换器,可以实现输入电压高达 8 kV 的系统。这使得能够通过几公里长的直流电缆为农业或建筑机械低损耗供电。输出电压为 700 V,支持农业和建筑机械上的驱动解决方案运行。

  项目合作伙伴 STS 开发了一款液冷高功率变压器,设计工作频率为 50 kHz,功率为 250 kW。该变压器的效率超过 99%,且符合严格的绝缘要求。此外,汉诺威大学还开发了另一种采用 3D 打印外壳的替代设计的变压器。

浮思特科技深耕功率器件领域,为客户提供igbt、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。

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