2017 三月

参考设计

最大化逆变器效率

TDK集团携手英飞凌科技公司 (Infineon Technologies) 共同研发出一款xEV逆变器。新逆变器综合了英飞凌IGBT模块、爱普科斯 (EPCOS) 以及TDK无源器件的优势,完美搭配,可在10~150 kW的功率范围内将逆变器的效率提升到98%以上

新型英飞凌HybridPACK™ IGBT驱动模块具有紧凑的结构和超高的效率,能满足电动汽车应用的核心要求。FS820R08A6P2B型的工作电流高达820 A,吸收电压为750 V,且配备用于冷却液的针状散热翅片。这些模块能实现高达150 kW的驱动功率输出。若功率较小,可采用带平坦基板的FS660R08A6P2FB替代解决方案。这种IGBT模块具有相同的电气特性,但其最大电流仅为660 A。在xEV和工业应用方面,HybridPACK™驱动系列为逆变器的功率等级具有良好的可扩展性。

该产品系列还包含不同的模块框架,包括负载终端 (FS820R08A6P2) 焊接触点框架和用于简化电流传感器的长电机终端 (FS820R08A6P2LB) 框架。

R08A6P2系列的所有模块均基于英飞凌最新一代的EDT2-IGBT芯片,这些芯片专为开关模式下高达175°C的隔镀层温度环境应用而设计。坚固的芯片组能防止短路,即使在最恶劣的条件下亦可确保超高可靠性。实际应用时,R08A6P2系列的效率可以高达98%(见图1)。该模块对6~10 kHz范围内的开关频率进行了优化。

 

图1:当开关频率为8 kHz时,使用评估套件测量的转换器损耗。当功率范围为10~150 kW时,最大效率超过98%(当工作电压为450 V时,cosφ= 0.85)。该结果有效改善了插电式和混合动力式电动车辆的功率范围。

这些模块的连接点间距较宽,因此绝缘性能极佳,并且最大限度降低了泄漏电流,即该模块将来还适合高压应用。图2显示了完整的逆变器模块,该逆变器包括带冷却板、控制器和驱动器板的HybridPACK模块,以及用于直流链路的爱普科斯 (EPCOS) PCC电容器。

 

图2:功率输出高达150 kW的完整电机逆变器。其中最重要的无源元件是直流链路电容器——爱普科斯 (EPCOS) PCC电容器。整套设计模块可使用评估套件进行测量。

适用于DC链路的紧凑型解决方案

此设计主要考虑了两种类型的爱普科斯 (EPCOS) PCC电容器,这些电容器同样适用于其它HybridPACK模块。其中B25655P5507K051型采用层叠绕组结构,工作电压为500 V DC,电容量为500 µF,可承受高达160 A的连续电流。层叠绕组技术的巨大优势是能实现接近于1的高体积填充因子。该电容器的尺寸为154 mm x 72 mm x 50 mm。

第2种型号 (B25655P5407K1512) 采用低成本的扁平绕组结构,由于其体积填充因子较低,相同尺寸情况下其最大连续工作电流仅为140A,电容量为400 µF。在设计过程中,必须确保直流链路电容器在最大电流负载下保持充分冷却。

直流链路电容器的低等效串联电感 (ESL) 和等效串联电阻 (ESR) 值对逆变器设计的成败至关重要。当开断IGBT时,只有等效串联电感足够低才能消除或最小化电压峰值和振荡。上述PCC电容器的等效串联电感值仅为15 nH,而消耗能量的等效串联电阻值则分别只有0.5 mΩ或0.7 mΩ。由于逆变器大汇流条的六个端子与HybridPACK模块的端子完全匹配(见图3),使得逆变器的等效串联电感和等效串联电阻值都相当之低。如果将来对汇流条进行改进,则逆变器的等效串联电感值将小于10 nH,而等效串联电阻值则小于0.5 mΩ。

 

图3:爱普科斯(EPCOS) PCC电容器的汇流条具有六个大型端子,确保了等效串联电感和等效串联电阻值的最小化。

上述电容器的生产线完全符合汽车产品要求,可确保最高可靠性。须特别注意的是其内部汇流条的焊接,因为焊接的质量直接决定了电容器的载流能力和功耗。除高可靠性以外,爱普科斯 (EPCOS) PCC电容器还具有优异的EMC性能,能在100 MHz左右的调频频段内实现出色的噪声抑制。

电隔离 - 汽车电子的基本特性

驱动板的任务是提供三个高阈值和三个低阈值的IGBT,以在门极处提供必要的开关信号。必须确保驱动电路和IGBT之间保持充分的电隔离,防止故障时电源电压窜扰到驱动器板上而导致绝缘击穿。为此关键部件需采用栅极驱动变压器。图4显示了提供绝缘IGBT驱动器的应用电路。

 



图4:栅极驱动器变压器的任务是确保高压侧和低压侧之间实现可靠的电隔离。


本参考设计采用六个B78307A2276A003 (P100403) 爱普科斯 (EPCOS) 门极驱动变压器。这些变压器确保了逆变器的绝缘电压可高达2.5kV(1分钟,50Hz)。变压器的匝比为1:1.08,电感值为100 µH。尽管介电强度很高,但变压器的尺寸仅为11.7 mm x 13.5 mm x 11.35 mm。此外,变压器一次侧和二次侧之间的漏电流路径仅为6 mm,非常适用于连续工作电压为500 V的转换器。

干扰逻辑控制

控制器板总揽整个逆变器的控制逻辑,其核心是AURIX™汽车系列的英飞凌32位TC277微控制器。为确保逻辑的无故障运行,接口采用了TDK ACT45B-101-2P-TL003 CAN总线共模扼流圈。当频率为10 MHz时,这些扼流圈的共模阻抗可达5.8 kΩ,能有效确保数据传输不受干扰。扼流圈符合AEC-Q200标准,尺寸仅为4.5 mm x 3.2 mm x 2.8 mm,是目前世界上尺寸最小的扼流圈。此外TDK MMZ1608R600AT磁珠还还能有效抑制信号电缆的噪音。

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