由Scienlab電子系統(tǒng)開發(fā)的一款新型牽引逆變器不僅設(shè)計緊湊、輕型，且電力密度高，可靈活適應(yīng)多種需求，非常適用于不斷增長的各種電動車。通過在直流鏈路中使用的CeraLink™ 電容器，可以開發(fā)出新型逆變器。隨著越來越多的車輛配備了具有能效和零排放驅(qū)動，電動車的發(fā)展趨勢最終贏得了市場的關(guān)注。除了轎車，電動車還包括市政服務(wù)使用的小型多功能車、電子叉車，建筑、農(nóng)業(yè)及工業(yè)用卡車以及自動化工廠車間的車輛等。因此，對于應(yīng)用于這些車輛中的緊湊、輕型且高性價比驅(qū)動的需求與日俱增。創(chuàng)新型逆變器設(shè)計為了滿足以上需求，電力電子設(shè)計專家Scienlab電子系統(tǒng)（位于德國Bochum）專門設(shè)計開發(fā)了一款緊湊型逆變器 （2 dm³）。該逆變器的額定功率為40 kW，可支持290 V DC至420 V DC的工作電壓，適合上述各種應(yīng)用。該逆變器的硬件和軟件結(jié)構(gòu)均具有動態(tài)的輸出電流范圍，因而可實現(xiàn)動態(tài)的車輛性能。新型Scienlab牽引逆變器的設(shè)計具有四個主要的功能單元，即控制電路、驅(qū)動、電力電子元件，以及堅固耐用的外殼和接口。該逆變器具有一個IGBT模塊，可完全控制三相橋接電路 （B6C），其內(nèi)置直流鏈路則采用該新型設(shè)計（圖1）的關(guān)鍵元件——創(chuàng)新型CeraLink電容器。模塊化設(shè)計使得該逆變器可靈活適應(yīng)用戶特殊的電流和功率需求。比如，高功率IGBT模塊只需稍做改變就可用于驅(qū)動PCB，而且只需增加CeraLink電容器的數(shù)量即可輕松擴(kuò)展自含直流鏈路電路板，并且無需對控制電路做任何改變。此外，用于汽車應(yīng)用、置于控制器內(nèi)部的逆變器軟件由工具鏈創(chuàng)建，其自適應(yīng)開發(fā)過程能適應(yīng)用戶的特殊軟件需求，無需修改軟件架構(gòu)。圖1：采用CeraLink電容器的Scienlab逆變器的框圖
在直流鏈路中擁有36個CeraLink電容器并連。
逆變器的要求為了使逆變器適用于汽車電動應(yīng)用，該新型設(shè)計必須只能使用汽車級元件。此外，還必須提供極高的電力密度，從而確保緊湊、輕型。為了滿足以上需求，Scienlab采用了一種水冷IGBT（電力半導(dǎo)體芯片表面積?。?，同時優(yōu)化了控制器和驅(qū)動電路板的配置，以節(jié)省空間。不過，Scienlab將重點放在逆變器最大組成部分——直流鏈路的容積和性能。借助CeraLink電容器實現(xiàn)直流鏈路的緊湊性和靈活性對于直流鏈路，Scienlab選擇了TDK集團(tuán)的CeraLink電容器，該電容器具有高達(dá)5.5µF/cm³ （圖2）的很高電容密度。“與其他電容器技術(shù)相比，CeraLink提供了電容密度和紋波電流能力的最佳組合，” Scienlab的總經(jīng)理Christoph Doerlemann解釋。無需犧牲直流鏈路的任何性能，就能實現(xiàn)緊湊封裝。“這正是我們的牽引逆變器與其他逆變器的區(qū)別所在”，他說道。圖2：單位電容器容積的電容密度和紋波電流能力
對于需要高電容密度和高紋波電流能力的應(yīng)用，CeraLink電容器技術(shù)是不二之選。
不同于傳統(tǒng)陶瓷電容器，這些新型電容器基于陶瓷材料PLZT（鋯鈦酸鉛鑭），其電容值在應(yīng)用電壓時達(dá)到最大，甚至隨紋波電壓的占比成比例增加。相比于傳統(tǒng)電容器設(shè)計，借助緊湊型CeraLink電容器的新型設(shè)計可使直流鏈路的體積縮小3到4倍。該系列電容器采用專業(yè)設(shè)計，工作溫度范圍為-40至+125 °C，甚至能耐受短暫的高達(dá)150 °C的高溫條件。使用多個分立電容器不僅能提高元件布局的靈活性，還能使電容器的表面積和散熱達(dá)到最大。因此，即便環(huán)境溫度很高，也能使用無源制冷技術(shù)。消除ESR和ESLScienlab進(jìn)一步的設(shè)計目標(biāo)是消除直流鏈路的ESR和ESL。“借助CeraLink僅為2.5 nH的極低ESL，可顯著降低IGBT切換過程中的過沖和-電流，從而顯著提升逆變器的系統(tǒng)性能，”Doerlemann指出。此外，Scienlab把電容器并聯(lián)在專門開發(fā)的多層PCB上，這樣內(nèi)阻也很低。頻率為1 MHz時ESR值僅為3 m?，有助于顯著降低直流鏈路的功率損失以及由此產(chǎn)生的熱。事實上，隨著頻率增加和溫度升高，ESR降低，從而允許溫度高達(dá)150°C和高切換頻率時的高效操作。
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