用于輕型牽引車中儲能系統的半導體解決方案介紹

想要滿足這些特殊要求，可以使用基于鋰離子牽引電池或超級電容器的儲能系統，為了充分利用存儲系統的能力，有必要采用合適的功率轉換器，來同時管理充電和消耗中的能量流。這個要求與DC-DC轉換器相關，DC-DC轉換器必須在潛在的高工作溫度下，處理大量的循環負載。

在沒有電車電源的情況下，對于輕型牽引車臨時操作能力的要求是常見的功能特性。在許多歷史悠久的城市市中心地區，經常缺乏接觸電車網基礎設施，但是會經常使用這種運作模式。它也適用于分開線路之間的連接，也是在電力中斷期間，緊急操作車輛所需的功能。此外，它還需要低噪音、高舒適度、零排放的運行，排除過去常用的柴油電動傳動系統。

采用電動／電動混合方法則可滿足上述的所有要求。

在這種要求下，采用牽引電池或超級電容器來做為能量存儲系統，可為電力傳動系提供調節的電力。

在列車頂部單元的內部，是用于管理進出電池能量流的DC-DC轉換器，是電力電子系統的一部分。

該轉換器是一種緊湊的、通常采用強制風冷的動力裝置。電氣設備的發展重點，則是為使用牽引電池或超級電容器的電源轉換器尋找最佳的解決方案。為滿足這些需求，必須要符合以下幾點規范：

1）在電車模式下，必須能夠從直流電車系統中，充分控制能量存儲器的充電。這與400VDC至1000VDC的輸入電壓范圍相關。

2）在電池模式下，必須做好電流從電池到推進逆變器、輔助轉換器和車輛電池充電器的良好控制。

3）在這兩種模式下，即使暴露在相對較高的溫度和強制空氣冷卻能力有限的情況下，也必須能夠安全處理短暫但又具重復性的200kW負載突發至少60秒的時間。

4）實現高運行效率，同時在均勻的低重量下占用較小的體積。

為了滿足規范1和2的要求，并且根據邊界條件，直流斬波器需要考慮兩種拓撲結構。

如果能量存儲系統的運行值高于或低于電車電壓水平，則必須使用2象限直流斬波器，適用方案如圖2所示。

如果儲能系統的電壓始終低于電車電壓，則最合適的是降壓- 升壓直流斬波器，如圖3所示。

在電車模式下，轉換器做為降壓斬波器工作，提供的電壓低于無軌電車內部系統的電車電源。在電池模式下，轉換器用作升壓斬波器，為電氣系統提供高于存儲系統輸出的電壓。

為了滿足規范3和4，則需要合適的功率半導體器件。解決方案需要采用1700 V級IGBT模塊，以支持足夠的電流范圍，擁有較低導通和開關損耗，以及具有低熱阻的堅固封裝。另外，還要求系統級的較佳成本和性能比。

屬于PrimePACK?系列的IGBT模塊配備了第四代IGBT/FWD芯片，是一種合適的解決方案。該IGBT模塊系列包括1200 V和1700 V級半橋拓撲結構的IGBT，提供600 A至1400 A的標稱電流。模塊提供兩種耐用的穩固封裝，均配有集成的NTC傳感器以擷取模塊的底板溫度。

如圖4所示，這些組件專用于重載移動應用，并允許考慮為可擴展設計。

為了實現IGBT模塊的安全操作和全功率利用，需要選擇合適的柵極驅動器。評估時，2ED250E12_F雙通道IGBT驅動器以及增強級MA300E17，可用于幫助設計人員開發專用解決方案，兩種器件都可以在圖5中看到。

功率部分的熱狀況需要實施最精確的熱測量到控制策略中，以在不超過規定的操作極限的情況下，最大限度地利用功率。

通常，散熱器的表面溫度已經使用外部溫度傳感器來進行監控?；谠摲答仯D換器的功率輸出已由控制系統進行調整。然而，IGBT模塊的底板溫度明顯會更高，因此內部的敏感晶體管和二極管芯片的溫度也會更高。出于安全原因，必須選擇相當保守的溫度值來觸發轉換器輸出功率的降低。

為了獲得更準確的信息，監測熱負荷和觸發過熱保護的設計，應使用IGBT模塊內部NTC測量的溫度。

該方法提供了關于實際操作中半導體熱負載更真實的觀察，特別是如果精準地確定芯片溫度和NTC讀數之間的熱相關性，便可以推斷出靜態操作下的穩固信息。

目前輕型牽引車中的牽引電池或超級電容器等儲能系統的數量正在不斷增加，可以保守地假設，對直流轉換器功率容量的更高要求將成為趨勢。同時，也存在降低其重量和尺寸的壓力，以及包括更平穩的直流扼流圈。為了在不久的將來滿足這些要求，新型IGBT模塊將采用英飛凌.XT技術的第5代IGBT模塊形式，將可提供絕佳的選擇。

與現有模塊相比，這些新型模塊具有更高的性能。由于具有較低的總功率損耗，因此有更高25℃的結溫Tvjopmax = 175℃，模塊具有更高的功率密度。預計在相同的面積下，輸出功率至少高出30%。因此可以設計出具有相同類型IGBT模塊封裝的更高性能轉換器，從而減少重新設計和升級的工作量。

此外，由于先進的互連技術，基于.XT技術的內部模塊結構，在功率和熱循環負載方面，實現了顯著更高的使用壽命。

從中期來看，評估重點是基于最近推出的Trench技術中，基于碳化硅（SiC）MOSFET功率組件的應用。由于這些組件的特殊性能，特別是與Si IGBT模塊相比具有相當低的開關損耗，因此對采用這種功率組件的直流斬波器性能將有一些改進：

• 開關頻率超過20 - 30 kHz時輸出功率更高，同時降低了斬波器的體積

• 更高的效率和更低的能耗，對冷卻系統的尺寸和結構產生積極影響

? 由于高開關頻率，大大減小了無源組件的尺寸和重量，例如功率薄膜電容器和直流扼流圈

? 顯著降低噪音

? 具有相同輸出功率的轉換器冷卻要求將顯著降低，從而減小散熱器和風扇的尺寸和重量。反之亦然，具有相同尺寸的轉換器預計具有更高的輸出功率

專用電源單元必須能夠正確運行能量存儲系統，尤其是在敏感的移動應用中。除了電氣性能、功率密度和效率之外，還必須特別注意循環負載產生的后果。除了優化冷卻和控制功率流之外，現代功率半導體解決方案還可以減少損耗，從而減少有限空間內的功耗。寬帶隙材料具有出色的電氣性能，較高的開關頻率有助于減少磁性組件中使用的材料量。盡管半導體開發方面的所有創新，適當的熱設計，精確的溫度測量和合適的熱模型，仍然是電力電子組件開發流程的重要組成部分。