ROHM采用SiC MOSFET开发Trans-link交错型逆变器，实现5kW时功率转换效率99%以上

时间： 2022-03-21 来源：ROHM,

技术问答

罗姆（ROHM）采用了发挥碳化硅(SiC)MOSFET高频特性的Trans-link交错型逆变电路、实现了5kW时的功率转换效率达到99%以上。在该电路拓扑中，平滑电抗器的电感量可以减小。由于电抗器的匝数减少、使铜损大幅度减少实现了高效率。在这份资料中，介绍这个全新的逆变器设计的例子。此外，这个全新的逆变电路是和power-assist-tech株式会社共同开发。

与常规电路对比

图1是常规全桥型和本文档介绍的Trans-link交错型电路的比较，两个电路输出功率都是5kW。

尽管常规桥式并联2PCSIGBT(STGW60H65DGB)作为开关器件，5KW时的效率是97.4%(总损耗为133W),冷却风扇是必要的。交错式效率达到99%(一共损失51W)，因为抑制了发热、不使用冷却风扇的小型化散热器可以冷却。而且因为是交错型，显然开关频率可以倍增，平滑滤波器被小型化、尺寸和重量被减半。

图1.与常规电路的比较

电路组成

图2表示交错型电路的组成

逆变电路中有三个半桥，每个半桥包含两个晶体管(Q_Hk和Q_Lk、k=1、2、3)。肖特基二极管作为续流二极管和晶体管并联。B2和B3以180°反转相位PWM模式动作。B1的Q_H1和Q_L1以50Hz交替开关、作为低频率开关桥动作。B2和B3的输出通过耦合电抗器(L_C)相互作用，电流流过L_C后被相加。B2和B3的输出和B1的中心点连接输出电容(C_O)。

图2.Trans-link交错型逆变电路

耦合电抗器等效电路如图3所示。

能够分为两个漏感(L₁和L₂)、励磁电感(L_m)、以及理想的反向变压器。如图3所示V_L1、V_L2、V₁、以及V₂是各个电感的自感应电动势、图3中i_L1、i_L2、i₁、i₂、以及i_m是被定义的电流。因为这是PWM电路，Q_H2开通时以占空比d动作。由于是逆变动作，d根据时间变化。L₁和L₂的电感量相同，为了简单用L表示。在逆变过程中，除死区时间外、逆变电路中所有的半桥都按照同步整流的原理运行。

图3.耦合电抗器(L_c)的等效电路

Trans-link式的优点

Trans-link式的输出连接耦合电抗器，由于以下的原因电抗器的铜损能被大幅度降低。

⚫输出电流被分为两相，热量损耗降低50%；

⚫平滑用的电感能够减小。

电抗器的交流电流在一个周期内反相运行。根据Trans-link的设计电流被分为2部分，每部分电流为总电流的一半。另外，反相电流互相磁化耦合电抗器、防止电抗器磁饱和。所以不需要高磁感应强度（B_S）的材料，而采用铁氧体等透磁率（低B_S）高的材料。另外，由于电抗器匝数减少、使（电抗器的）铜损减少。

耦合电抗器的设计

耦合电抗器如图5所示，由被称为外脚和中央脚的磁芯构成。因为电抗器是反相变压器、i_L1和i_L2产生的磁场在外脚相互抵消。这意味着外脚的磁性材料不需要高磁感应强度（B_S）。

图5.耦合电抗器概念图

另一方面，在中央引脚上、磁通量沿相同的方向流动并变得更强。同时、因为i_L1和i_L2的相位相差180°、总磁通量振动频率倍增。所以、中央脚使用的磁性材料具有高磁通量(B_S)和良好的高频动作特性是必要的。因此、作为外脚用的材料采用铁氧体MB3(JFE铁氧体(*8))，采用利库罗依^TM(ALPS电气(*9)､(*10)：现在阿尔卑斯阿尔派)为中央引脚的材料。

耦合电抗器的设计最重要的考虑因素是L和L_m，这两个参数的设计决定了I_out的纹波和磁感应强度。

逆变器输入输出规格

逆变器输入输出规格和电气参数，如下所示：

⚫V_in=320V

⚫V_out=AC200V

⚫I_out=AC25A

⚫f_sw=40kHz

⚫I_{out pp}/I_{out peak}<0.2

⚫B_{m max}<0.15T

I_{out pp}/I_{out peak}是为了降低C_o的損失而设定的。B_{m max}是防止磁饱和风险的条件（MB3(*8)的B_S的约1/3以下）。

从等式(11)和I_{out pp}/I_{out peak}和L的关系、L超过100√2μH是必要的。对于该磁芯，线圈匝数N=19、电感量是170uH。在这个电感中，L_m是2.2mH、外脚的面积A_e是378mm²。从等式(16)以及等式(17)可以看出，这些参数满足B_{m max}＜0.15T。

图6是表示包含直径0.35mm的40根双绞绕制的铜线耦合电抗器外观。测量銅線的阻抗是18mΩ。采用磁感应强度B_S=0.45T且透磁率2500的铁氧体磁芯(*8)。因为圈数N被减少、铜线阻抗被减少。中央脚使用高B_S材料是不可缺少的、利库罗依^TM(*9)作为中央引脚的材料是合适的、1.3T的高B_S值实现了磁芯的无气隙结构。

表2 Trans-link型和全桥型电抗器对比

图6 (开发的)耦合电抗器和常规电抗器

效率评估

使用SiC MOSFET的Trans-link交错型逆变器(逆变器A)、使用Si-IGBT的常规全桥逆变器(逆变器B)和使用SiC MOSFET的常规全桥逆变器(逆变器C)进行性能比较。逆变器B和逆变器C的电路图如图(7)所示、这三种逆变电路的参数如表3所示：

图7 常规逆变电路（逆变器B,C）拓扑图

i_L是在逆变器B以及逆变器C的平滑电抗器中流过的电流。如表3所示Trans-link式，流过MOSFET的电流被抑制一半。此外、因为电流纹波的频率增加、必要的电容值能够削减。因此可以减少晶体管和电容的数量。

表3 各逆变器电路使用器件数量和参数

逆变器A,B,C的效率η，如图8中输出功率P_out的横轴所示。效率η是输入功率P_in对P_out的比例算出来的。但是、功率的全部损耗(P_total=P_in-P_out)不包含MOSFET栅极驱动损耗。

图8 P_out作为指标的逆变器A,B,C的效率

Si IGBT置换成SiC MOSFET(从逆变器B到C)、逆变器的P_out在全功率范围内效率η提高。P_out的功率在1kW以上时、逆变器的效率η降低、主要是因为晶体管的导通损耗和配线的铜损增加。P_out在3kW以上、逆变器C的输出效率低于99%。与之对应的逆变器A的P_out在1〜5kW的全功率范围内，效率η超过99%。其中P_out为2kW时，获得99.4%的高效率。

损耗分析

图9的饼图是表示逆变器A(Trans-link)输出功率P_out=5kW时全部功率损耗的详细组成。这个损耗的分析计算是基于T_j=125℃时的导通电阻(R_ON)。

图9 逆变器A在5kW时的P_total分析

表4 各逆变电路的性能比较

总结

用SiC MOSFET作为开关器件用于开发的5kW Trans-link交错型逆变器。SiC MOSFET优秀的开关性能，与Si IGBT相比较、可以更高的开关频率运行、实现系统整体小型化。而且、采用反极性耦合电抗器的Trans-link交错型电路拓扑以40kHz的频率运行。由于电抗器的匝数减少，铜损大幅度减少、输出功率5kW时可以无风扇运行能够获得99%的高效率。

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