超紧凑型三相PWM整流器

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1、超紧凑型三相 PWM 整流器P. Karutz, S.D. Round, M.L. Heldwein and J.W. KolarPower Electronic Systems LaboratoryETH ZurichZurich, 8092 SWITZERLANDkarutzlem.ee.ethz.ch摘要 - 越来越多的电信，数据服务器和飞机电源应用需要高功率，高效率， 结构紧凑，正弦输入电流的整流器。一个 8.5千瓦/升 (139 W/in3)实验性能的 设计，三相 PWM 整流器输出功率呈现为 10 千瓦。高功率密度通过增加开关频 率达到 400 千赫，致使要使用更小的 EMI 滤波

2、器和升压电感器，同时仍然保持 在 95以上高效率。 为了减少开关损耗， 一种 CoolMOS 和 SiC 二极管的组合被 用于在一个自定义的功率模块。 该模块连同一个优化的强制气冷散热器， 优化的 EMI 滤波器，和一个完全数字控制器来获得所述整流器的高功率密度。I . 引言在电力电子的历史趋势中，特别是对于电力供应，一直是在功率密度 1方 面增长的。基于这种趋势，预计 1 功率密度将在 201 5年后接近 30千瓦/升(500 W/in3 ) 。增加了功率密度导致较小的， 更紧凑的系统， 并且还应该有较低的生产 成本。然而，随着更高的功率密度，具有高的效率是重要的，因为功率损失是难 以从少量

3、中除去的。欧洲中心的电力电子(ECP E)已经确定了他们的目标是50 千瓦/升 (820 W/in3)的功率密度电源的路线图2。我们在苏黎世联邦理工学院 的一个ECPE能力中心是沿着路线图发展路径既 AC-DC和DC-DC转换器。高功率密度转换器的新应用在于多电飞机电源 3。在这种飞机应用中，重 量和转换器的尺寸是很重要的， 同时需要满足规格的正弦输入电流和 EMC 性能。 面临的挑战之一是，该飞机的动力系统正朝着一个可变频率范围在 360 到 800 赫兹的交流电压变化。为了能够控制电流为正弦波，需要电流控制器的带宽在 20 千赫兹，因此，这又需要一个有源整流器的开关频率是在几百 kHz4

4、。提高 开关频率的额外好处在于：该无源部件的尺寸和重量可以减小。进一步的应用领域是电信和数据服务器的电源供应， 越来越多的系统需要高 功率，高效率，结构紧凑，正弦输入电流的整流器 5 。这些电源系统的输入级 可以与一个模块化的拓扑结构采用星形连接 6 和三角形连接 7 的单相升压整 流模块，直流输出电压，实现个人，或直接三相整流器的拓扑结构，如维也纳整 流器 8 的直流输出电压，是常见的所有阶段。维也纳整流器的三级结构导致低的阻断电压应力上的功率半导体和一个小的输入电感量。因此，维也纳整流器是 一个实现高功率，单位功率因数整流器具有高功率密度的理想选择。维也纳整流器的拓扑结构可与三个开关 6或

5、六个开关来实现。在这个设计 中，选择一个6开关维也纳整流器(参见图1)，因为它具有较低的导通损耗， 因为在每个阶段的开关导通时相位电流只流过一个二极管，这是为了保证开关电 压被钳位到一半的输出电压。本文提出的整流器被设计为工作在一个160? 480VRMS的宽线到线的输入电压范围，并且具有 400 VRMS标称输入电压和额定 输出功率为10千瓦的开关频率高达400千赫。对于800 V和10千瓦的功率输出 电压，输入相电流是约15 ARMS。对于操作过115伏的飞机动力系统的输出功 率在400 V的输出电压时降低到5千瓦。本文提出了一种新的8.5千瓦/升( 139 W/in3)的设计和实验结果，

6、强制空 气冷却，三相，六开关PWM维也纳整流器，旨在提供10千瓦的输出功率。在 第二部分，提出了开关器件和损失细节，包括描述一个自定义的功率模块，以实 现完整的六开关维也纳整流器。高带宽电流传感器和辅助供电在第三节和第四节 中描述。被动元件的细节，如升压电感和EMI滤波器，在第五节中给出。整流器的散热设计和数字化控制实现在第六节和第七节描述给出。硬件建设来实现的 8.5千瓦/升的功率密度列于第 VIII与实验性能在第区。最初的设计理念为2.5MHz有源整流器将在第十节简要介绍。itMCHer图1. 3相，6 -开关，3级维也纳整流器拓扑结构用于实现8.5千瓦/升( 139 W/in3 )AC-

7、DC转换器n .功率器件的选择对于六个开关维也纳整流器在开关频率高达 400 kHz时，最优开关/二极管 组合的选择是至关重要的。由于开关的最小的阻断电压是一半的输出电压（400伏为800伏特的最大直流输出电压），这有可能选择600伏的MOSFET作为主开 关。与MOSFET具有在非常高的开关频率时有较低的损耗相比，IGBT通常用于 400V RMS的应用程序。然而，硅升压二极管的使用（DF和DF-）在400千赫 操作会引起不可接受的开关损耗，和系统效率的大幅度降低。因此，使用新的 SiC二极管，是因为尽管这些器件具有较大的正向电压降但它们几乎没有反向恢 复。A. 开关损耗比较空气冷却的散热部

8、件传统上占据了整流器的总体积中的较大比例部分。 为了 尽量减少散热器，重要的是尽量减少半导体的功率损耗。在高频率下工作的开关 损耗可以支配时。各种开关和二极管类型的组合开关损耗测量已经进行， 以确定 具有最低损耗和最佳的开关性能的组合。结合600V开关损耗测量，47 A C3和CS设备，连同一个600 V，10 A Cree 公司的SiC二极管，使用相同的电感建设中的整流器设计了升压电路。输出电压被预充电到400伏和宽度可调双脉冲被施加到隔离的栅极驱动器，以便在不同的电流电平操作开关。导通和关断的开关损耗是使用力科WAVERUNNER LT584L（1GHz的4GS/ $）的示波器测量的，通过

9、漏极 -源极电压的测量和时间补偿，自定义的电流传感器直接放置在开关的按钮上。 这确保了开关电路的寄生电感保图2.采用英飞凌的 CoolMOS和Cree公司的SiC二极管的漏电流在失能时 导通和关断的持在相似于在最终整流器设计的水平。升压电路的功能energy能量损失on:打开开关off:关上开关图.2总结了漏极电流为10至30A英飞凌的CoolMOS C3的导通和关断的损 耗测量。由于在漏极端开关电流的测量，电流充电的结电容包括在关闭过程中测 量。减去关断损耗的影响力，并将其添加到零关断损耗在零漏电流导通值的结果。 通过最大限度地减少外部栅极电阻和使用栅极驱动器和MOSFET的栅极的内部电阻，

10、开关损耗可被减少，而将过电压限制到可接受的水平。 从图2，可以看出， 导通损耗占总开关损耗的最大方面。在 400 kHz的开关频率半导体的总功率损 失，包括所有三相传导和开关损耗，195 W的开关损耗占总损耗的32%。B. 电源模块的设计为了最大限度的减少由半导体所占的体积， 产生了一种自定义模块。该模块 包含了半导体的全部三个阶段。该模块的照片在图3中给出。模块布局已特别被 设计为具有较低的电感，其中输入电流连接到模块的中心连接器和输出 DC总线 的连接是在模块的外侧。通过降低栅极电压信号源电流造成的影响， 在MOSFET 的一个单独的开尔文源终端已经添加到允许更快的开关中。图3.自整流电源

11、模块包含所有三相端C. 栅极驱动器设计特殊的栅极驱动器的必要要求是高开关频率的 PWM整流系统。该要求包括 很短的信号传播延迟时间（在几纳秒的范围内），良好的边缘对称性（低脉宽失 真），以及出色的共模瞬变抗扰度。栅极驱动器的一般示意图示于图4,是由一个信号隔离器，栅极驱动器IC和隔离电源组成的。由于高的dv / dt的速率与不可避免的寄生电容耦合连接高达 50千伏/微秒 （几个pF的）导致了大的共模噪声电流，它可以扭曲的栅极驱动信号的电子。因此，信号耦合器需要有一个非常低的寄生电容耦合和高共模瞬变免疫能力。控制电子器件和MOSFET开关之间的最大电压是整流器的输出电压的一半（400伏）。如果过

12、电压被考虑其中，那么耦合器应具有至少为500 V的瞬态等级。集成的磁耦合器，ADuM1100产品9，采用小型封装，并提供典型的 10纳秒的 短传播延迟时间。该器件在大于500 V的受理瞬变幅度提供一个35千伏/微秒的 指定的共模瞬变抑制。磁耦合的寄生电容可表示为1 pF。为了进行切换时，以限 制共模噪声电流的振幅，在控制电子装着一端用一个额外的共模电感器。图4.栅极驱动隔离电源和耦合电容的栅极驱动电路的显示对于栅极驱动器来说，它要求一个小的输出阻抗，大的电流能力和低的信号 传播延迟时间。该驱动器必须能够在一个较高的开关频率下，驱动较大的286 nC CoolMOS栅极电荷。高速，大电流栅极驱动

13、从 IXDN414YI到IXYS 10被选择 用于驱动MOSFET的栅极。使用1欧姆的串联栅极电阻。为了保持复杂性，所 需要的PCB板空间和较低的成本，选择了单极电源电压的栅极驱动器。用于栅极驱动器的隔离电源使用的是由高频变压器构成的经典的 dc-dc转换 器。使用以最小化准则 max256 H桥驱动电路和基于10:38匝数比的EPCOS R6.3 芯小的环形变压器。桥接器芯片提供有 5V和开关在600千赫和18 V时为 CoolMOS门的开关产生的。皿.电流检测为了控制整流器，低容量，高带宽，抗噪声的电流传感器是必需的。已经 在市场上销售多年的各向异性磁阻电流传感器，在用于集成电力电子系统和

14、模块这方面具有极高的价值。然而，尽管有约1兆赫的频率限制所规定的磁阻传感元 件，但其带宽通常限制在100千赫。一种已被修改的约1兆赫的商业Sensitec电 流传感器，在图5中描绘，这是在11实验验证的一个已获得的频率带宽。它也已被实验表明，如果经过初级导体高的dv / dt的速率，该传感器会具有较低的敏 感性。Sen sor:n dwidth OpAHgp阳叩Voltage SupplVol rageSupply or:PiiniaryCvinkiUfiScnMir图5. 1MHz带宽的磁阻式电流传感器传感器高带宽的运算放大器电压源主导体IV.辅助电源辅助电源是整流设计中很重要的一部分，因为

15、它必须提供所有的栅极驱动并且控制电子装置。实现高功率密度的整流器辅助电源是不可忽视的。45瓦的紧凑型辅助电源的设计是基于在 200KHZ的开关下的双开关正激变换器，这其次是 两个独立的400kHz的开关电压。它可以从一个广泛的三相电压输入（180至530V rms）开始操作，并产生 4A时5 V的电压，2A时12 V的电压和0.2A时-12 V 电压带产生80%的效率。物理尺寸为118x40x40毫米的电源布局显示在图6。W118 inniDC Output m *1一血 iri ig福,10 * 5电请fInput图6. 45W双开关正激辅助电源A. 升压电感器400千赫的高开关频率允许的升压电感器值将减少到32卩H,同时仍保持 10的 10 千瓦的规定输出功率的最大纹波电流。升压电感器被设计为一对串联 连接的16卩H电感器，从而达到所希望的总电感。每个电感对是由两个平面爱普 科斯 ELIP N87 的芯构成，由于这些内核提供了一个低调，并且良好的高频性能 （例如损耗低，渗透性） 。此串联连接被选择，以便有效地填充转换器体积。每 个升压电感拥有铜带为3毫米X 0.8毫米尺寸的6匝线圈。用这种绕组结构以减