焦建林 黎科

（1.長(zhǎng)沙市軌道交通磁浮線建設(shè)發(fā)展有限公司 湖南省長(zhǎng)沙市 410014）

（2.湖南凌翔磁浮科技有限責(zé)任公司 湖南省長(zhǎng)沙市 410007）

懸浮控制器是磁浮車輛懸浮穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部件，隨著軌道交通行業(yè)對(duì)車輛小型化、輕量化、載重能力等需求的提高，研究開(kāi)發(fā)高效率、高功率密度的懸浮控制器需求迫在眉睫。如今降低功率器件的能耗已成為全球性的重要課題，在提高電能變換裝置效率中起關(guān)鍵作用的是電力電子功率器件，借助于微電子技術(shù)的發(fā)展，以硅器件為基礎(chǔ)的中小功率電力電子功率器件MOSFET及IGBT 等的開(kāi)關(guān)性能已隨其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的完善而接近其由材料特性決定的理論極限，依靠硅器件繼續(xù)完善和提高電能變換裝置與系統(tǒng)性能的潛力已十分有限，同時(shí)在全球節(jié)能降耗的大環(huán)境下，新一代的功率半導(dǎo)體器件碳化硅MOSFET(SiC MOSFET)應(yīng)運(yùn)而生。

本文將以中低速磁浮列車的懸浮控制器為應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)選用FF200R12KT4（IGBT）和FF6MR12W2 M1_B11(SiC MOSFET)兩款功率器件搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，計(jì)算分析比較了兩種器件在相同工況下運(yùn)行的功率損耗，并對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 中低速懸浮控制器應(yīng)用條件

1.1 輸入輸出條件

額定供電電壓： DC330V

電壓變化范圍： DC250V～360V

額定輸入功率： 2kW

額定輸出電流： 35A

峰值輸出電流： 120A（10S）

額定工作頻率： 5kHz

負(fù)載特性： 阻抗1Ω

1.2 主電路工作原理

中低速懸浮控制器主要由控制電路、斬波電路兩部分組成，其主要功率損耗集中在斬波電路，斬波電路其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，直流330V 電源輸入后并接母線支撐電容C1 以及由VT1、VT2、VT3、VT4 組成的H 橋斬波電路。TR1 為斬波輸出控制的懸浮電磁鐵?？刂破鞑捎肞WM 控制方式，VT1、VT4 構(gòu)成上橋臂，VT2、VT3 構(gòu)成下橋臂，單周期內(nèi)上下橋臂交替導(dǎo)通。

圖1：電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 功耗分析

2.1 IGBT和SiC MOSFET基本參數(shù)

2.2 IGBT方案損耗分析

表1：參數(shù)對(duì)照表

斬波器采用英飛凌的FF200R12KT4 IGBT 模塊工作時(shí)，IGBT 的總損耗主要由IGBT 的開(kāi)通、關(guān)斷和導(dǎo)通損耗以及體內(nèi)二極管的導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗組成。實(shí)際工況下，由于溫度和運(yùn)行環(huán)境的不同，以及電路干擾等不確定因素，理論損耗可能與實(shí)際損耗不同，存在一定誤差，但不影響其作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考。在此設(shè)定損耗分析的工作條件：直流電壓Ud=330V，負(fù)載等效阻抗RO為1 歐姆，額定輸出電流IO為35A。開(kāi)關(guān)頻率f為5kHz，死區(qū)時(shí)間1uS，IGBT 節(jié)溫125℃，則由公式（1）可計(jì)算得出導(dǎo)通占空比D為55.3%。

2.2.1 上橋臂開(kāi)關(guān)管損耗分析

由于上橋臂VT1、VT4 在斬波過(guò)程中體內(nèi)二極管始終不導(dǎo)通，因此只需要考慮IGBT 管上的損耗。根據(jù)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)可得每次開(kāi)通、關(guān)斷損耗分別為Eon=1.2mJ，Eoff=1.6mJ。因此VT1 單管開(kāi)關(guān)損耗為：

再考慮VT1 單管導(dǎo)通損耗，根據(jù)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)查得額定電流35A 時(shí)，IGBT 管壓降UCE為0.7V。所以VT1 的導(dǎo)通損耗為：

2.2.2 下橋臂開(kāi)關(guān)管損耗分析

由于下橋臂VT2、VT3 在斬波過(guò)程中體內(nèi)二極管導(dǎo)通時(shí)間很短，這里計(jì)算時(shí)忽略體內(nèi)二極管導(dǎo)通損耗，因此只需要考慮IGBT 上的損耗和體內(nèi)二極管的開(kāi)關(guān)損耗。根據(jù)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)可得VT2 體內(nèi)二極管的開(kāi)關(guān)損耗為EREC=1.5mJ， IGBT 每次開(kāi)通、關(guān)斷損耗分別為Eon=1.2mJ，Eoff=1.6mJ。因此開(kāi)關(guān)總損耗為：

再考慮VT2 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗，根據(jù)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)查得額定電流35A 時(shí)，IGBT 管壓降UCE為0.7V。所以VT2 的導(dǎo)通損耗為：

2.2.3 斬波器上下橋臂總損耗

由于VT1、VT4 兩管損耗相等，VT2、VT3 兩管損耗相等，因此斬波器橋臂上的總損耗為：

2.2.4 單管的溫升

根據(jù)FF200R12KT4 Data sheet 中查到IGBT 結(jié)-外殼熱阻0.135K/W，外殼-散熱器熱阻0.034K/W，設(shè)散熱器的熱阻為0.36K/W。

則總熱阻為：RIGBT= 0.135+0.034+0.36 = 0.529/W

為了計(jì)算簡(jiǎn)單方便，忽略二極管與IGBT 管之間的自身發(fā)熱導(dǎo)致的熱相互影響，由下式直接計(jì)算可得IGBT 單管溫升值。

2.3 SiC MOSFET方案損耗分析

斬波器采用英飛凌的FF6MR12W2M1_B11 碳化硅模塊。碳化硅MOSFET 的總損耗主要由碳化硅的開(kāi)通，關(guān)斷和導(dǎo)通損耗以及體內(nèi)二極管的導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗組成。在實(shí)際工況下，由于溫度和運(yùn)行環(huán)境的不同，以及電路干擾等不確定因素，理論損耗可能與實(shí)際損耗不同，存在一定誤差，但不影響其作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考。在此設(shè)定損耗分析的工作條件：直流電壓Ud=330V，負(fù)載等效阻抗RO為1 歐姆，額定輸出電流IO為35A。開(kāi)關(guān)頻率f為5kHz，死區(qū)時(shí)間1uS，SiC MOSFET 節(jié)溫150℃，則由下述公式可計(jì)算得出導(dǎo)通占空比D為55.3%。

2.3.1 上橋臂開(kāi)關(guān)管損耗分析

由于上橋臂開(kāi)關(guān)管VT 1、VT 4 在斬波過(guò)程中體內(nèi)二極管始終不導(dǎo)通，因此只需要考慮SiC MOSFET 管上的損耗。根據(jù)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)查得每次開(kāi)通、關(guān)斷損耗分別為Eon=0.26mJ，Eoff=0.125mJ。因此開(kāi)關(guān)損耗為：

再考慮VT 1 管導(dǎo)通損耗，根據(jù)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)查得額定電流35A 時(shí)，SiC MOSFET 管壓降約為0.21V。所以VT 1 的導(dǎo)通損耗為：

2.3.2 下橋臂開(kāi)關(guān)管損耗分析

根據(jù)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)查得每次開(kāi)通、關(guān)管損耗分別為Eon=0.26mJ，Eoff=0.125mJ。因此開(kāi)關(guān)損耗為：

再考慮VT 2 管導(dǎo)通損耗，根據(jù)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)查得額定電流35A 時(shí)，SiC MOSFET 管壓降約為0.21V。所以VT 2 的導(dǎo)通損耗為：

2.3.3 斬波器上下橋臂總損耗

由于VT1、VT4 兩管損耗相等，VT2、VT3 兩管損耗相等，因此斬波器橋臂上的總損耗為：

2.3.4 單管的溫升

根據(jù)FF6MR12W2M1_B11 Datasheet 中查到SiC MOSFET 管結(jié)-散熱器熱阻0.328K/W。假設(shè)外部散熱器的熱阻為0.36K/W。

3 懸浮斬波器仿真分析

通過(guò)英飛凌的IPOSIM 軟件仿真，環(huán)境溫度設(shè)定為40℃，仿真系統(tǒng)外部散熱器熱阻設(shè)置為0.36K/W。

在35A 時(shí)單管的仿真結(jié)果如圖2 所示：采用IGBT(FF200R12KT4)時(shí)的功耗為28W，采用SiC MOSFET(FF6MR12W2M1_B11)時(shí)的功耗為4.8W，如圖3 所示。當(dāng)懸浮控制器斬波器采用FF200R12KT4 時(shí)可計(jì)算得出總功耗為112W，斬波器采用FF6MR12W2M1_B11 時(shí)計(jì)算得出總功耗為19.2W。如圖4 所示。

圖2：FF200R12KT4 及FF6MR12W2M1_B11 仿真數(shù)據(jù)

圖3：FF200R12KT4 溫升

圖4：FF6MR12W2M1_B11 溫升

4 計(jì)算及仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

本文分別設(shè)計(jì)計(jì)算和仿真了懸浮控制器在額定35A工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，具體見(jiàn)表2。

表2：仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

由上表數(shù)據(jù)分析能說(shuō)明與傳統(tǒng)的硅器件相比，采用SiC 器件可降低開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗，由此將減少懸浮控制器的總體損耗，降低系統(tǒng)對(duì)散熱器的熱阻要求，從而可達(dá)到有效降低懸浮控制器的體積和重量的目的。

5 結(jié)論

本文以測(cè)試磁浮列車懸浮性能為研究目標(biāo)，搭建了性能測(cè)試系統(tǒng)，獲取實(shí)時(shí)懸浮狀態(tài)信息，為中低速磁懸浮系統(tǒng)的調(diào)試提供數(shù)據(jù)支持。

對(duì)懸浮控制系統(tǒng)性能的實(shí)時(shí)檢測(cè)，能準(zhǔn)確了解懸浮系統(tǒng)在各種條件下的性能指標(biāo)，包括不同速度、不同線路以及不同負(fù)載下的性能指標(biāo)。通過(guò)對(duì)性能指標(biāo)的檢測(cè)和分析，既能為懸浮控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)，有利于提高列車的懸浮性能，提升磁浮列車乘坐的舒適性，加強(qiáng)磁浮列車在軌道交通領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)磁浮列車技術(shù)的發(fā)展，對(duì)加快推進(jìn)磁浮列車技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化具有重大意義。