DC/DC 轉(zhuǎn)換器在先進電力電子中的新應(yīng)用

在許多人的頭腦中，電力電子與可再生能源及電動力緊密關(guān)聯(lián) – 換言之：數(shù)百伏的電壓以及中等到高功率范圍的功率輸出。“樂高® 盒”式模塊化電源（即 DC/DC 轉(zhuǎn)換器）中的較小元件則不太為人所知。然而它們的重要性也不逞多讓，因為正是它們確保了現(xiàn)代電力電子的高效和可靠運行。

圖 1： 得益于通過 RECOM 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器驅(qū)動的先進 SiC 技術(shù)，此汽車使用電動電源，可以在 2 秒內(nèi)從 0 加速至 100 km/h。（圖片來源： RECOM Power）

可再生能源領(lǐng)域最新的發(fā)展推動了電力電子領(lǐng)域的創(chuàng)新。現(xiàn)代 IGBT（絕緣柵極雙極晶體管）在提高逆變器的效率方面扮演著重要的角色。與 MOSFET 相似，它們只需要極低的功率便可致動。處于傳導狀態(tài)時，沿集電極-發(fā)射極的損耗與雙極型晶體一樣低。

近期通過使用新型半導體材料，它們的性能得到了進一步的提升。利用 SiC（碳化硅）和 GaN（氮化鎵）制作的晶體管可以實現(xiàn)更高的電流和開關(guān)頻率。它們還能加快開關(guān)過程，并將效率從約 95% 提升至 98% 甚至更高。雖然這看起來可能算不得什么重大的成果，但還必須考慮到，這些新型組件幫助降低了約 66% 的能源損耗，并因此保持了較低的溫度！

不要忘了，在電動力領(lǐng)域，任何效率提升不僅能減少系統(tǒng)的能源損耗，還能增加電池需要充電之前的驅(qū)動距離。更低的熱耗散意味著需要更少的冷卻，這反過來意味著更輕的重量。而更輕的重量則有利于改善加速性能，以及延長汽車電池的續(xù)航距離。此外，新型 SiC 和 GaN 材料通常能夠承受更高的溫度，因此可以提高冷卻效率。可以合理地假設(shè)，電動力的未來發(fā)展必將帶動電力電子領(lǐng)域的進一步改進和創(chuàng)新。

電動賽車在不到 2 秒的時間內(nèi)從 0 加速至 100 km/h

每年，慕尼黑應(yīng)用科學大學的學生方程式團隊都會與 municHMotorsport 聯(lián)合設(shè)計一款電動賽車，參加一年一度的大學生方程式電動車賽 (FSE)。他們的最新型號重量不足 200 kg，從 0 到 100 km/h 的加速時間不到 2 秒。輪轂內(nèi)的三相電機能夠產(chǎn)生高達 129 kW (174 HP) 的抓地功率。實現(xiàn)這一頂級性能所需的“動力”源自一個為兩路高達 600 V 的中間電路供電的高電壓電池。

圖 2： 此 3D 模型展示了 Pwe7.16 賽車的電動動力總成。每個車輪由一個 32 kW 三相電機驅(qū)動。電力電子在密閉式側(cè)箱內(nèi)與中間電路集成在一起。（圖片來源： MunicHMotorsport）。

此高電壓是在大型電容器的協(xié)助下產(chǎn)生的，并用于驅(qū)動四個逆變器（圖 3）。四個同步電機分別通過自己的配有 Wolfspeed SiC MOSFET 的逆變器橋供電。為生成高達 100 A 的相電流，兩個 MOSFET 分別以并行方式接線（未在圖 4 中顯示），以便在 SiC MOSFET 與柵極驅(qū)動器之間保持盡可能短的距離。

圖 3： 四個電機分別配有自己的電力電子（頂部），其中的六個 SiC MOSFET 對被組合到橋中。柵極驅(qū)動器采用 RECOM 的 R12P22005D DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電。這些轉(zhuǎn)換器專為在 SiC 應(yīng)用中使用而設(shè)計。（圖片來源： RECOM Power）

圖 4： 三相逆變器的電路原理圖，其中六個 SiC MOSFET 驅(qū)動器分別通過一個不對稱的雙 DC/DC 轉(zhuǎn)換器供電。（圖片來源： RECOM Power）

每個電源開關(guān)對通過自己的柵極驅(qū)動器，使用極陡峭的開關(guān)邊沿進行控制，從而充當浮動的柵極電勢與固定的控制電子電勢之間的電隔離器。

但事情并沒有這么簡單，因為 24 個驅(qū)動器分別需要 +20 V 到 -5 V 之間的電壓沿陡峭的開關(guān)邊沿工作，同時還要防止開關(guān)故障。而且這些電壓還必須與 12 V 板載網(wǎng)絡(luò)進行電隔離（高隔離度）。

雙路輸出將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的數(shù)量減半

原則上，每個驅(qū)動器都需要兩個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。圖 2 所示的電動車設(shè)計采用了四個電機，因此需要多達 48 個轉(zhuǎn)換器。為了將此數(shù)量減半，RECOM 開發(fā)了專門的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器系列為現(xiàn)代 SiC MOSFET 驅(qū)動器供電。這些 RxxP22005D 系列轉(zhuǎn)換器采用不對稱的雙路輸出，根據(jù)應(yīng)用中的驅(qū)動器要求提供 +20 V 和 -5 V 電源。RECOM 的新型轉(zhuǎn)換器采用“功率均分”技術(shù)，并且可使用恒定的功率和不對稱的電流，或使用恒定的電流和不對稱的功率工作。這些模塊提供 5 V、12 V、15 V 和 24 V DC 額定輸入。

需要特別注意隔離強度，它將在 1 分鐘內(nèi)提供極高的 5.2 kVDC 隔離電壓。鑒于 SiC MOSFET 通常以約 100 kHz 的頻率工作并且使用極陡峭的邊沿，高隔離強度是一項關(guān)鍵要求，因為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的絕緣柵會永久承受高應(yīng)力。電路中的寄生電容和電感可能導致峰值遠高于基于電路拓撲得出的預期值。由于此類電壓峰值很難進行測量，因此快速電源開關(guān)的尺寸需要留有足夠大的安全裕量。這也適用于允許的最高工作溫度，其中 RxxP22005 系列具有高達 +95°C 的出色額定溫度。

SiC MOSFET 和 IGBT 的廣泛應(yīng)用

當前，快速電源開關(guān)在眾多應(yīng)用和各種類型的電力電子中廣泛使用。它們在逆變器、頻率轉(zhuǎn)換器、感應(yīng)電爐、焊接機、電機控制系統(tǒng)和其他許多設(shè)備中隨處可見。其中大多數(shù)電路附帶 IGBT，因為它們是大批量生產(chǎn)的，因此比 SiC MOSFET 要便宜得多。與 SiC MOSFET 一樣，IGBT 驅(qū)動器必須使用兩個不同的電源供電，其中 +15 V 和 -9 V 已成為標準電壓。RECOM 為 IGBT 應(yīng)用提供了廣泛的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器選擇，所有轉(zhuǎn)換器均采用不對稱的雙路輸出。RECOM 的各種轉(zhuǎn)換器系列具有不同的設(shè)計和隔離強度，其中持續(xù) 1 秒鐘的 3 到 4 kV 隔離電壓通常可以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求（參見圖 5）此外，RECOM 還提供了一系列適合 IGBT 和 SiC MOSFET 應(yīng)用的單路輸出轉(zhuǎn)換器（未在圖 5 中列出）。

圖 5： RECOM 最新的雙 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（采用不對稱輸出，適合為 IGBT 和 SiC MOSFET 驅(qū)動器供電）概述。（圖片來源： RECOM Power）

總結(jié)

過去十多年里，電力電子一直與太陽能和風能技術(shù)緊密聯(lián)系在一起。因此可以合理地預測，在今后十年里，電動力領(lǐng)域取得的進步勢必會進一步加快新型電力電子的發(fā)展。IGBT 技術(shù)仍有很多改進機會，使用由 SiC 和 GaN 制作的元器件只是一個開始。