本文详细介绍了一种使用并联连接的碳化硅(SIC)MOSFET构建的25 kW双有源桥(DAB)转换器的设计与性能分析。在今年PCIM欧洲博览会和会议上发表的一篇论文中，作者探讨了针对中功率应用的离散解决方案的可行性。

　　离散器件与功率模块

　　SiC MOSFET在电动汽车充电器和光伏逆变器等多个领域获得了广泛应用，主要是因为它们优越的开关速度、效率和热性能。尽管SiC MOSFET适用于广泛的功率范围，但准确建模其损耗对于充分展示其潜力至关重要。

　　然而，商业化的SiC MOSFET通常最大电流额定值约为120 A，尽管它们具有诸多优势。为了满足高功率应用的性能要求，需要并联的离散器件或功率模块。

　　离散器件与功率模块之间的选择取决于性能、成本、尺寸和可靠性等标准。功率模块由于其先进的集成设计，提供了理想的排列，具有最小的杂散电感、卓越的绝缘性和出色的热特性。然而，这些优势伴随着尺寸较大和成本较高的缺点。

　　相反，并联连接的离散器件允许更具成本效益和紧凑的设计。这种方法在选择半导体制造商产品组合中的电流额定值时提供了更大的灵活性，避免了过度增大尺寸而可能影响性能的需求。

　　并联离散器件的挑战在于需要精确对称的功率和驱动布局设计，以确保均衡的电流分配。如果没有这种对称性，SiC器件的制造公差(包括阈值电压和导通状态电阻的变化)可能会导致电流分配不均。这些不均衡会影响导通和开关损耗，而后者对驱动布局的设计尤其敏感。

　　提议的DAB架构

　　所提议的DAB转换器具有并联连接SiC MOSFET的对称门驱动布局。它专门设计用于管理25 kW的功率容量，输入/输出电压范围从300 V到600 V。此外，它以100 kHz的开关频率运行。

　　DAB架构具有全桥转换器，每个输入和输出端口的开关上并联连接三个SiC MOSFET。所使用的器件是英飞凌科技的IMZ120R030M1H类型。设计优先考虑驱动路径的对称性，以确保并联器件之间的电流均匀分配。

　　如图1a所示，DAB转换器的功率部分集成了对称的门驱动通路布局，确保信号线路长度相等及寄生参数均匀。此设计最小化了由于驱动布局不对称而可能产生的电流不均衡。门驱动板和功率部分是模块化的(见图1b)，便于断开和评估不同的驱动解决方案。

　　该转换器还包括混合技术的直流链接电容器，既有薄膜电容器，也有多层陶瓷电容器(MLC)，以处理高电流额定值并改善开关性能。MLC电容器靠近SiC器件放置，以减少杂散电感。功率部分集成了预充电电路，以安全地给直流链接电容器充电，防止高浪涌电流。

　　DAB转换器的整体架构(见图1c)包括输入和输出端口的全桥功率部分，通过高频变压器与外部串联电感连接。门驱动、测量和控制部分也集成在设计中。

　　驱动与测量部分

　　单个门驱动器控制每个开关的所有三个并联连接的SiC MOSFET。门驱动器基于Analog Devices Inc.(ADI)的评估板，提供灵活的驱动解决方案，同时保持一致的功率部分设计。选用于性能分析的ADI评估板是MAX22701E，以其超高的共模瞬态抗扰度和集成的数字绝缘特性而闻名。

　　测量部分监控DAB转换器的电压、电流和温度，确保正确运行并提供故障保护。大部分测量组件来自ADI，包括电压和电流测量、温度监控和门驱动器操作的相关组件。

　　控制部分使用STMicroelectronics的STM32G484微控制器定制设计。该部分位于两个全桥之间，采用屏蔽电缆以减少电磁干扰。转换器通过基于相移调制的开环控制系统进行管理。一个定制的MATLAB工具与微控制器接口，允许调整控制参数，如开关频率、功率流向、死区时间和相位移。

　　性能分析

　　通过在不同工作条件下的实验测试，分析所提议的DAB转换器的性能。分析分为低功率(最高5 kW)和高功率(25 kW)测试，重点评估电气和热行为。

　　实验设置包括多种仪器，以监控SiC MOSFET的电气和热性能。主要组件包括：

　　两个可编程直流双向电源，为DAB转换器的输入/输出端口供电

　　一个七通道功率分析仪，用于计算输入/输出功率和总体效率

　　一个1 GHz示波器，用于电压和电流测量

　　辅助电源，用于为DAB转换器控制和功率部分内的组件供电

　　两个热像仪，用于监测散热器上的热梯度

　　一个数据记录器，用于使用NTC热敏电阻测量SiC器件的温度

　　该设置允许在不同输入/输出电压和功率条件下全面测试DAB转换器的性能。

　　低功率测试

　　低功率测试专注于评估并联连接的SiC MOSFET在一段时间内的热分布。DAB转换器在约5 kW的较低功率水平下运行，避免了强制冷却的需要，从而能够准确监测热梯度。测试了三种情况，将输入和输出电压分别设定在450 V和500 V之间。

　　结果显示，平行连接设备的门源电压匹配良好，确认了对称布局的有效性。热成像揭示，器件之间的温度不平衡极小，经过20分钟的运行后，最大梯度为2°C。这表明对称设计有效地平衡了器件的热和电气应力。

　　高功率测试

　　高功率测试评估DAB转换器在输出功率达到额定25 kW时的性能。由于热限制，测试在短时间内进行，直到SiC器件达到最高温度70°C。输入和输出电压设置为500 V，并在输出功率为10、15和25 kW时进行测试。

　　结果表明，对称布局在更高功率水平下继续表现良好，没有显著的热不平衡或驱动信号的不对称性。在开关打开和关闭事件期间，门源电压保持一致，热梯度即使在功率增加时也维持在可接受范围内。

　　对25 kW SiC基础DAB转换器的性能分析展示了使用并联连接的离散SiC MOSFET在中功率应用中的可行性。门驱动路径的对称布局确保了器件之间的均衡电流分配，最小化了热和电气不平衡的风险。低功率和高功率测试验证了转换器的设计，表明它可以在多种条件下高效且可靠地运行。这项工作突显了在中功率应用中离散解决方案的潜力，为功率模块提供了一种具有成本效益和灵活性的替代方案。

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