【应用】基于SiC半桥功率模块CAB450M12XM3设计的300KW三相逆变器

时间： 2019-12-09 来源：Wolfspeed

技术问答

CRD300DA12E-XM3是WOLFSPEED公司推出的300KW三相逆变器设计方案，旨在帮助工程师快速评估、设计基于SiC半桥功率模块 CAB450M12XM3的应用。该方案采用低电感、低导通阻抗、高功率密度SiC模块CAB450M12XM3作为功率器件，直流侧采用低电感、高脉冲电流DC-link薄膜电容作为支撑电容，叠层母排作为正负极母排，并采用高性能液冷散热器加强散热，通过优化的结构设计，实现了功率环路仅12nH的杂散电感总量和32.25kW/L的功率密度。本文主要分析和介绍CRD300DA12E-XM3逆变器功率平台的设计。

一、设计主要技术指标和参数。

输出功率Pout： 300kW（在T_L=25℃，输出线电压480V_AC，功率因素为PF1, 开关频率Fs=20kHz条件下）

输入直流侧电压：800V_DC （最大900 V_DC）

开关频率fsw: 大于20kHz (最高89kHz)

电感电流I_L: 360A_Ac,RMS（在T_L=25℃,输出线电压480V_AC，功率因素为PF1, 开关频率Fs=20kHz条件下）

功率电感L_PL： 5.3nH

尺寸： 28cm X 29cm X 11.5cm

重量： 6.2kg

二、系统原理图

图2. CRD300DA12E-XM3逆变器系统原理图

三、设计理念和设计遵循原则

设计理念：通过高载流量、低电感的器件选型和结构设计使逆变器性能最优，同时保证成本和复杂性最低。

依据上面的设计要求，设计时遵循下面五条原则：1.紧凑的结构设计和高电流密度，需要采用高性能散热器实现最大化热传导 2. 采用低电感的叠层母排将母排引入到功率回路的杂散电感降至最低 3.使用低电感、高额定纹波电流的电容器，使高频开关回路的高频阻抗最低，来降低高频开关引起的电压过冲等不良的开关行为 4.使用具有高速保护功能、高抗噪声的门级驱动器，使功率器件高效的进行开关切换，同时驱动器故障保护功能可在功率器件发生故障时提高其生存性。 5.逆变器结构成本应该最低，且有利于组装和生产。

四、功率平台的设计

基于以上的设计理念和原则，在设计300KW三相逆变器参考方案中，功率器件选择基于Wolfspeed^® C3M^TM SiC MOSFETs构建的半桥功率模块CAB450M12XM3，该模块阻断电压1200V，额定电流450A，最高运行结温175℃，内部电感仅6.7nH，封装尺寸仅为80x52x19mm，符合高载流量、低电感的设计要求。DC-link电容选择Fischer&Tausche^TM公司的CX100u1100d51KF6薄膜电容器，该电容器额定纹波电流100A、容量100uF、等效串联电感ESL仅10.5nH，采用3个电容并联后则ESL降至3.5nH，满足高额定纹波电流、低电感的选型要求；同时，其额定电压1100V，高于逆变器最大直流侧电压900V，并留有足够的电压裕量，可应对功率器件开关引起的电压过冲。

CAB450M12XM3模块在垂直的方向上，正负输入端子具有一定的高度偏移，以方便叠层母排的链接，如图3所示。红色、蓝色分别为直流侧输入端正负极母排，由于安装位置在垂直高度上有一定的偏移，正负母排可以做到无弯曲、压边和复杂的隔离即可安装。

图3. 功率平台叠层母排侧视图和俯视图

DC-link电容安装位置尽可能的使功率环路的面积最小（功率环路：电容正极 —>正极母排—> SiC器件—> 负极母排—> 电容负极），以使其接收到的高频干扰更小。通常电容的正负极接线柱通过定位孔分别固定在正、负母排上。在器件的摆放（电容、半桥模块、叠层母排）上，力求对称，以使逆变器各相功率回路具有相同的阻抗，尽可能使相各项电流输出相等，最终功率平台总装结构图如图4所示。（说明：该功率平台总装图与CRD300DA12E-XM3逆变器功率平台尺寸不相同，散热器也不是液冷，但具有相似的结构，在此仅为说明CRD300DA12E-XM3逆变器功率平台结构。）

图4. 功率平台总成图

通过一系列的优化设计，该涉及防范实现了直流母排和总电容（三个电容并联）电感量5.3nH，XM3功率模块总阻抗6.7nH，整个功率环路（单相）总电感仅12nH的设计，有效的降低了MOSFET开关时引起的电压过充、功耗、EMI等问题，保证300kW逆变器高可靠的、高效率的运行。

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