輔助變流器是現(xiàn)代有軌電車車輛的重要組成部分,其效率和功率密度一直是人們關(guān)注的重點。隨著新型SiC器件的發(fā)展,應(yīng)用SiC器件的電力電子系統(tǒng)在開關(guān)頻率、效率、功率密度等方面均取得了重大突破。本文圍繞全SiC輔助變流器系統(tǒng)的設(shè)計與研制,完成了 SiC器件工作特性的研究和損耗模型的建立,完成了輔助變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的損耗模型搭建、優(yōu)化設(shè)計、開關(guān)頻率選擇、控制方案設(shè)計與仿真驗證,最終完成了 40kVA全SiC輔助變流器樣機(jī)的研制與調(diào)試,并與原Si系統(tǒng)做了對比和分析。本文首先對SiC MOSFET的器件特性進(jìn)行了研究,對同等級SiC/Si器件做了測試對比,測試內(nèi)容包括:開關(guān)損耗、飽和壓降和二極管正向壓降,測試結(jié)果表明SiC MOSFET具有低飽和壓降和低開關(guān)損耗的優(yōu)良特性,然后基于SiC MOSFET器件開關(guān)過程推導(dǎo)了器件損耗計算方法,得到了測試數(shù)據(jù)的驗證。然后針對全SiC輔助變流器,通過損耗模型對DC/DC模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化選擇、對整流管電壓振蕩機(jī)理及抑制方案進(jìn)行了研究、分析和優(yōu)化選擇,確定系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為移相全橋變換器+RCD緩沖吸收電路+三相逆變器,確定系統(tǒng)開關(guān)頻率為:DC/DC模塊為40kHz,DC/AC模塊為10kHz;然后完成了主電路參數(shù)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計,在樣機(jī)設(shè)計過程中,利用Matlab、PSIM和PLECS軟件分別對主電路參數(shù)和控制策略、整流管電壓振蕩抑制方案和系統(tǒng)損耗進(jìn)行了仿真驗證。最后是對40kVA的全SiC輔助變流器的實驗驗證,分別完成了樣機(jī)的額定工況實驗、整流管電壓振蕩抑制方案效果驗證和系統(tǒng)損耗分布的測量,并對比了Si/SiC系統(tǒng)尺寸和關(guān)鍵元件尺寸,得到結(jié)論:應(yīng)用SiC器件后,輔助變流器的效率提高1.76%,功率密度提高50%。
【學(xué)位單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM46;U482.1
【部分圖文】：

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ邋ｏｆ邋ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋Ｓｉ邋ａｎｄ邋ＳｉＣ逡逑根據(jù)這兩種材料的物理特性對比，我們可以得到以下幾點關(guān)于ＳｉＣ器件的優(yōu)逡逑良特性：逡逑（１）耐高溫特性逡逑ＳｉＣ擁有高度穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，禁帶寬度達(dá)到３．２ｅＶ，是Ｓｉ材料的２倍以上，逡逑這使得ＳｉＣ材料能夠承受更高溫度，理論上講，ＳｉＣ器件所能達(dá)到的最大工作溫度逡逑為邋６００。。。逡逑（２）導(dǎo)熱性能好逡逑ＳｉＣ材料的熱導(dǎo)性優(yōu)于Ｓｉ材料，在相同工況下，可以減輕對散熱系統(tǒng)的要求，逡逑提高系統(tǒng)的功率密度和降低系統(tǒng)成本。逡逑（３）高頻特性逡逑ＳｉＣ擁有２倍于Ｓｉ的飽和電子漂移速度，而漂移速度決定了器件能夠達(dá)到的逡逑開關(guān)頻率，這使得ＳｉＣ器件能在更高頻率下工作。如ＳｉＣ器件ＣＡＳ３００Ｍ１７ＢＭ２逡逑工作頻率可達(dá)２００ｋＨｚ，而同等級的Ｓｉ器件最高為１００ｋＨｚ。逡逑（４）低損耗特性逡逑

逑東京地鐵銀座線３７列“０１系”車輛中應(yīng)用了采用１７００Ｖ／１２００Ａ的混合ＳｉＣ功率模塊逡逑的逆變器，如圖１－３所示，帶來的效果是列車電力再生率提高了邋７．５％［４６］。此后，逡逑東京地鐵銀座線的１０００系、東西線１５０００系列車都陸續(xù)在車輛的牽引系統(tǒng)或輔助逡逑電源系統(tǒng)中采用了混合ＳｉＣ功率模塊。逡逑ｆ邐ｆ邐罾」Ｊ邐—＾４桘逡逑，邋＂薄：邐－邋尊逡逑ｒｒｎｊ邋＇ｒ邐＾邐＾邐ｉyU》事明熱＾師}0yU}0於叫．明＂。？明ｗｍｗ＂．、．邐８臂逡逑１邋＿邋１邋Ｗｉｉ１１逡逑一￣■邋ｉｊ逡逑圖１－３采用１７００Ｖ／１２００Ａ混合ＳｉＣ模塊的逆變器逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｒａｃｔｉｏｎ邋ｉｎｖｅｒｔｅｒ邋ｗｉｔｈ邋１７００Ｖ／１２００Ａ邋ｈｙｂｒｉｄ邋ＳｉＣ邋ｍｏｄｕｌｅｓ逡逑２０１４年，三菱電機(jī)制造的采用３３００Ｖ／１５００Ａ的全ＳｉＣ器件的牽引逆變器（圖逡逑１－４）成功在日本的小田急電鐵新型１０００系通勤車輛中應(yīng)用，該新型逆變器的開關(guān)逡逑損耗降低約５５％，體積和重量減�。叮担ァ荆矗停福荩b機(jī)測試結(jié)果顯示：應(yīng)用全ＳｉＣ逆逡逑變器后，車輛運行時的電能消耗得到降低（定員時可削減２０％，滿員時可削減約逡逑３６％）。逡逑１？＾邐二逡逑ｉｉ�。。海椋�；；：ｉｓ：Ｕｓｌ邋■：：：■邋：Ｆｉｗ＊ｍｎ＾逡逑：ＭｐＵ，邋ｉ邋４逡逑＿８＾ｋ邋一逡逑圖１－４采用３３００Ｖ／１５００Ａ全ＳｉＣ模塊的牽引逆變器逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｔｒａｃｔｉｏｎ邋ｉｎｖｅｒｔｅｒ邋ｗｉｔｈ邋３３００Ｖ／１５００Ａ邋ａｌｌ－ＳｉＣ邋ｍｏｄｕｌｅｓ逡逑２０１４年

逑東京地鐵銀座線３７列“０１系”車輛中應(yīng)用了采用１７００Ｖ／１２００Ａ的混合ＳｉＣ功率模塊逡逑的逆變器，如圖１－３所示，帶來的效果是列車電力再生率提高了邋７．５％［４６］。此后，逡逑東京地鐵銀座線的１０００系、東西線１５０００系列車都陸續(xù)在車輛的牽引系統(tǒng)或輔助逡逑電源系統(tǒng)中采用了混合ＳｉＣ功率模塊。逡逑ｆ邐ｆ邐罾」Ｊ邐—＾４桘逡逑，邋＂薄：邐－邋尊逡逑ｒｒｎｊ邋＇ｒ邐＾邐＾邐ｉyU》事明熱＾師}0yU}0於叫．明＂。？明ｗｍｗ＂．、．邐８臂逡逑１邋＿邋１邋Ｗｉｉ１１逡逑一￣■邋ｉｊ逡逑圖１－３采用１７００Ｖ／１２００Ａ混合ＳｉＣ模塊的逆變器逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｒａｃｔｉｏｎ邋ｉｎｖｅｒｔｅｒ邋ｗｉｔｈ邋１７００Ｖ／１２００Ａ邋ｈｙｂｒｉｄ邋ＳｉＣ邋ｍｏｄｕｌｅｓ逡逑２０１４年，三菱電機(jī)制造的采用３３００Ｖ／１５００Ａ的全ＳｉＣ器件的牽引逆變器（圖逡逑１－４）成功在日本的小田急電鐵新型１０００系通勤車輛中應(yīng)用，該新型逆變器的開關(guān)逡逑損耗降低約５５％，體積和重量減�。叮担ァ荆矗停福荩b機(jī)測試結(jié)果顯示：應(yīng)用全ＳｉＣ逆逡逑變器后，車輛運行時的電能消耗得到降低（定員時可削減２０％，滿員時可削減約逡逑３６％）。逡逑１？＾邐二逡逑ｉｉ！�。海椋海�；：ｉｓ：Ｕｓｌ邋■：：：■邋：Ｆｉｗ＊ｍｎ＾逡逑：ＭｐＵ，邋ｉ邋４逡逑＿８＾ｋ邋一逡逑圖１－４采用３３００Ｖ／１５００Ａ全ＳｉＣ模塊的牽引逆變器逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｔｒａｃｔｉｏｎ邋ｉｎｖｅｒｔｅｒ邋ｗｉｔｈ邋３３００Ｖ／１５００Ａ邋ａｌｌ－ＳｉＣ邋ｍｏｄｕｌｅｓ逡逑２０１４年

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2826145