DC/DC 轉(zhuǎn)換器在先進(jìn)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(dòng)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?yàn)檎撬鼈兇_保了現(xiàn)代電力電子的高效和可靠運(yùn)行。

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

可再生能源領(lǐng)域最新的發(fā)展推動(dòng)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(dòng)。處于傳導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，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(dǎo)體材料，它們的性能得到了進(jìn)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(shí)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(lái)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(dòng)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(dòng)距離。更低的熱耗散意味著需要更少的冷卻，這反過來(lái)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(zhǎng)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(dòng)力的未來(lái)發(fā)展必將帶動(dòng)電力電子領(lǐng)域的進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新。

電動(dòng)賽車在不到 2 秒的時(shí)間內(nèi)從 0 加速至 100 km/h

每年，慕尼黑應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的學(xué)生方程式團(tuán)隊(duì)都會(huì)與 municHMotorsport 聯(lián)合設(shè)計(jì)一款電動(dòng)賽車，參加一年一度的大學(xué)生方程式電動(dòng)車賽 (FSE)。他們的最新型號(hào)重量不足 200 kg，從 0 到 100 km/h 的加速時(shí)間不到 2 秒。輪轂內(nèi)的三相電機(jī)能夠產(chǎn)生高達(dá) 129 kW (174 HP) 的抓地功率。實(shí)現(xiàn)這一頂級(jí)性能所需的“動(dòng)力”源自一個(gè)為兩路高達(dá) 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(dòng)動(dòng)力總成。每個(gè)車輪由一個(gè) 32 kW 三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(lái)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(dòng)四個(gè)逆變器（圖 3）。四個(gè)同步電機(jī)分別通過自己的配有 Wolfspeed SiC MOSFET 的逆變器橋供電。為生成高達(dá) 100 A 的相電流，兩個(gè) 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(dòng)器之間保持盡可能短的距離。

圖 3： 四個(gè)電機(jī)分別配有自己的電力電子（頂部），其中的六個(gè) SiC MOSFET 對(duì)被組合到橋中。柵極驅(qū)動(dòng)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(jì)。（圖片來(lái)源：  RECOM Power）

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

每個(gè)電源開關(guān)對(duì)通過自己的柵極驅(qū)動(dòng)器，使用極陡峭的開關(guān)邊沿進(jìn)行控制，從而充當(dāng)浮動(dòng)的柵極電勢(shì)與固定的控制電子電勢(shì)之間的電隔離器。

但事情并沒有這么簡(jiǎn)單，因?yàn)?24 個(gè)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jìn)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(gè)驅(qū)動(dòng)器都需要兩個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器。圖 2 所示的電動(dòng)車設(shè)計(jì)采用了四個(gè)電機(jī)，因此需要多達(dá) 48 個(gè)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(dòng)器供電。這些 RxxP22005D 系列轉(zhuǎn)換器采用不對(duì)稱的雙路輸出，根據(jù)應(yīng)用中的驅(qū)動(dòng)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(duì)稱的電流，或使用恒定的電流和不對(duì)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(qiáng)度，它將在 1 分鐘內(nèi)提供極高的 5.2 kV_DC 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(qiáng)度是一項(xiàng)關(guān)鍵要求，因?yàn)?DC/DC 轉(zhuǎn)換器的絕緣柵會(huì)永久承受高應(yīng)力。電路中的寄生電容和電感可能導(dǎo)致峰值遠(yuǎn)高于基于電路拓?fù)涞贸龅念A(yù)期值。由于此類電壓峰值很難進(jìn)行測(cè)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(dá) +95°C 的出色額定溫度。

SiC MOSFET 和 IGBT 的廣泛應(yīng)用

當(dāng)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?cè)谀孀兤鳌㈩l率轉(zhuǎn)換器、感應(yīng)電爐、焊接機(jī)、電機(jī)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?yàn)樗鼈兪谴笈可a(chǎn)的，因此比 SiC MOSFET 要便宜得多。與 SiC MOSFET 一樣，IGBT 驅(qū)動(dòng)器必須使用兩個(gè)不同的電源供電，其中 +15 V 和 -9 V 已成為標(biāo)準(zhǔn)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(duì)稱的雙路輸出。RECOM 的各種轉(zhuǎn)換器系列具有不同的設(shè)計(jì)和隔離強(qiáng)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(duì)稱輸出，適合為 IGBT 和 SiC MOSFET 驅(qū)動(dòng)器供電）概述。（圖片來(lái)源： RECOM Power）

總結(jié)

過去十多年里，電力電子一直與太陽(yáng)能和風(fēng)能技術(shù)緊密聯(lián)系在一起。因此可以合理地預(yù)測(cè)，在今后十年里，電動(dòng)力領(lǐng)域取得的進(jìn)步勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步加快新型電力電子的發(fā)展。IGBT 技術(shù)仍有很多改進(jìn)機(jī)會(huì)，使用由 SiC 和 GaN 制作的元器件只是一個(gè)開始。