Scienlab开发出汽车电子紧凑型逆变器

由Scienlab电子系统开发的一款新型牵引逆变器不仅设计紧凑、轻型，且电力密度高，可灵活适应多种需求，非常适用于不断增长的各种电动车。通过在直流链路中使用的CeraLink™ 电容器，可以开发出新型逆变器。随着越来越多的车辆配备了具有能效和零排放驱动，电动车的发展趋势最终赢得了市场的关注。除了轿车，电动车还包括市政服务使用的小型多功能车、电子叉车，建筑、农业及工业用卡车以及自动化工厂车间的车辆等。因此，对于应用于这些车辆中的紧凑、轻型且高性价比驱动的需求与日俱增。创新型逆变器设计为了满足以上需求，电力电子设计专家Scienlab电子系统（位于德国Bochum）专门设计开发了一款紧凑型逆变器 （2 dm³）。该逆变器的额定功率为40 kW，可支持290 V DC至420 V DC的工作电压，适合上述各种应用。该逆变器的硬件和软件结构均具有动态的输出电流范围，因而可实现动态的车辆性能。新型Scienlab牵引逆变器的设计具有四个主要的功能单元，即控制电路、驱动、电力电子元件，以及坚固耐用的外壳和接口。该逆变器具有一个IGBT模块，可完全控制三相桥接电路 （B6C），其内置直流链路则采用该新型设计（图1）的关键元件——创新型CeraLink电容器。模块化设计使得该逆变器可灵活适应用户特殊的电流和功率需求。比如，高功率IGBT模块只需稍做改变就可用于驱动PCB，而且只需增加CeraLink电容器的数量即可轻松扩展自含直流链路电路板，并且无需对控制电路做任何改变。此外，用于汽车应用、置于控制器内部的逆变器软件由工具链创建，其自适应开发过程能适应用户的特殊软件需求，无需修改软件架构。图1：采用CeraLink电容器的Scienlab逆变器的框图

在直流链路中拥有36个CeraLink电容器并连。

逆变器的要求为了使逆变器适用于汽车电动应用，该新型设计必须只能使用汽车级元件。此外，还必须提供极高的电力密度，从而确保紧凑、轻型。为了满足以上需求，Scienlab采用了一种水冷IGBT（电力半导体芯片表面积小），同时优化了控制器和驱动电路板的配置，以节省空间。不过，Scienlab将重点放在逆变器最大组成部分——直流链路的容积和性能。借助CeraLink电容器实现直流链路的紧凑性和灵活性对于直流链路，Scienlab选择了TDK集团的CeraLink电容器，该电容器具有高达5.5µF/cm³ （图2）的很高电容密度。“与其他电容器技术相比，CeraLink提供了电容密度和纹波电流能力的最佳组合，” Scienlab的总经理Christoph Doerlemann解释。无需牺牲直流链路的任何性能，就能实现紧凑封装。“这正是我们的牵引逆变器与其他逆变器的区别所在”，他说道。图2：单位电容器容积的电容密度和纹波电流能力

对于需要高电容密度和高纹波电流能力的应用，CeraLink电容器技术是不二之选。

不同于传统陶瓷电容器，这些新型电容器基于陶瓷材料PLZT（锆钛酸铅镧），其电容值在应用电压时达到最大，甚至随纹波电压的占比成比例增加。相比于传统电容器设计，借助紧凑型CeraLink电容器的新型设计可使直流链路的体积缩小3到4倍。该系列电容器采用专业设计，工作温度范围为-40至+125 °C，甚至能耐受短暂的高达150 °C的高温条件。使用多个分立电容器不仅能提高元件布局的灵活性，还能使电容器的表面积和散热达到最大。因此，即便环境温度很高，也能使用无源制冷技术。消除ESR和ESLScienlab进一步的设计目标是消除直流链路的ESR和ESL。“借助CeraLink仅为2.5 nH的极低ESL，可显著降低IGBT切换过程中的过冲和-电流，从而显著提升逆变器的系统性能，”Doerlemann指出。此外，Scienlab把电容器并联在专门开发的多层PCB上，这样内阻也很低。频率为1 MHz时ESR值仅为3 mΩ，有助于显著降低直流链路的功率损失以及由此产生的热。事实上，随着频率增加和温度升高，ESR降低，从而允许温度高达150°C和高切换频率时的高效操作。