【導(dǎo)讀】燃料電池用空壓機開關(guān)頻率高,空間有限,集成度高,采用單管設(shè)計的主要挑戰(zhàn)是如何提高散熱效率。本設(shè)計中功率器件和散熱器采用DBC+焊接工藝,提高了SiC MOSFET的輸出電流能力,從而有效降低了系統(tǒng)成本的,并且簡化安裝方式。
氫能源稱為人類社會的“終極能源”,以氫燃料電池驅(qū)動的汽車,行駛過程中沒有污染,只生成水。燃料電池系統(tǒng)由電堆和BOP(Balance of Plant)構(gòu)成。燃料電池BOP為電堆穩(wěn)定運行提供了必要的外部環(huán)境,包括空氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、功率輸出控制等部分組成。
由于大功率燃料電池工作時需要消耗大量的氧氣,這就需要高速空壓機輸送大量的空氣??諌簷C的作用對空氣進行增壓,為燃料電池電堆提供合適流量、溫度、壓力、濕度的潔凈空氣,滿足電堆的功率輸出需求??諌簷C是空氣循環(huán)系統(tǒng)的核心,其性能對燃料電池系統(tǒng)的效率、緊湊性等有著重要影響。
常用的空壓機主要有離心式、螺桿式、渦旋式等,根據(jù)不同的燃料電池選擇不同類型的空壓機。其中離心式空壓機由于轉(zhuǎn)速高、尺寸小、質(zhì)量輕等特點,目前被廣泛采用;由于電機最高轉(zhuǎn)速超過15萬rpm,空壓機電機控制器的輸出頻率超過2500Hz,功率器件需要很高的開關(guān)頻率(超過50kHz),因此SiC-MOSFET是這類應(yīng)用的首選器件。
本項目空壓機系統(tǒng)基本參數(shù)如下:
● 電機種類:永磁電機(一對極)
● 輸出功率:25kW
● 輸出電流:70A
● 最高轉(zhuǎn)速:150,000rpm
● 輸入電壓:DC450~750V
● 控制器最高效率:>98%
01 焊接技術(shù)降低系統(tǒng)熱阻
本項目是動力源新能源主導(dǎo),晶川聯(lián)合參與開發(fā)。功率器件采用英飛凌的CoolSiC? MOSFET IMW120R030M1H。拓撲如圖1所示,兩個CoolSiC? MOSFET并聯(lián)以實現(xiàn)25kW的輸出功率。
圖1.拓撲結(jié)構(gòu)圖
IMW120R030M1H器件采用TO-247封裝,管殼背面是裸露的金屬,有利于散熱但不絕緣,因此首先面臨的問題是在滿足絕緣要求的情況下盡可能的降低熱阻,從而滿足高功率密度要求。原始的散熱方式為陶瓷+兩面導(dǎo)熱硅脂+壓接,接口熱阻0.1K/W,熱硅脂的熱阻占比超過90%。為了進一步降低接口熱阻,有必要采用高導(dǎo)熱材料替代導(dǎo)熱硅脂,優(yōu)化這部分熱阻分布,本項目采用敷銅陶瓷(DBC)+焊接技術(shù),接口熱阻降低到0.011K/W,接口熱阻降低89%。敷銅陶瓷(DBC)+焊接技術(shù)的方式不需要壓接環(huán)節(jié),因此可以簡化組裝工藝。
圖2.陶瓷+硅脂 和 DBC+焊接示意圖
圖3.兩種導(dǎo)熱絕緣方式熱阻對比
圖4.采用焊接方式的TO-247
圖5.空壓機控制器實物
02 基于滑膜觀測器的估算模型實現(xiàn)精確位置控制
由于電機的轉(zhuǎn)速高、空間小,不便于安裝角度傳感器,因此控制器采用基于滑膜觀測器的估算模型對電機轉(zhuǎn)子位置進行估計。在啟動階段,電機轉(zhuǎn)速較低,反電動勢較小,滑膜觀測器無法準確估算轉(zhuǎn)子位置??刂破鞑捎谩稗D(zhuǎn)速環(huán)+IF控制”方式來完成電機啟動。在IF控制方式下電流處于閉環(huán)受控狀態(tài),電流矢量的角度為虛擬角度,來自于給定轉(zhuǎn)速的積分,電流的期望幅值來自于轉(zhuǎn)速環(huán)路的輸出;電機運行至一定轉(zhuǎn)速后,將虛擬角度切換至估算的實際轉(zhuǎn)子角度。啟動過程如圖所示。
圖6.啟動階段電流波形
由于空壓機電機工作轉(zhuǎn)速比較高,是燃料電池系統(tǒng)最主要的噪音源;因此如何降低空壓機系統(tǒng)的噪音是一個挑戰(zhàn)。本項目通過優(yōu)化開關(guān)頻率、死區(qū)時間等措施優(yōu)化電流波形(高速電流波形如圖7),進而改善高速帶載的噪音。
圖7.高速帶載波形
03 DBC+焊接工藝提升系統(tǒng)輸出能力
為了評估熱性能,在SiC MOSFET管殼上方粘貼熱電偶,分別針對陶瓷+硅脂、DBC+焊接兩種方案分析了進行了對比測試,測試對比結(jié)果詳見圖8。測試結(jié)果表明:在相同的散熱條件下,隨著輸出電流上升,兩種方案之間的溫差逐步增大。當輸出電流為90A時,DBC+焊接方案殼溫比陶瓷+硅脂的方案殼溫低24.8℃。由此可見,采用焊接的方式可以有效降低系統(tǒng)熱阻,提高系統(tǒng)輸出能力。
圖8.陶瓷+硅脂和DBC+焊接測試對比
04 總結(jié)
綜上,可以看到,對于空壓機這樣高壓高頻的應(yīng)用,CoolSiC? MOSFET能夠?qū)崿F(xiàn)極低的導(dǎo)通阻抗與方便靈活的驅(qū)動方式,DBC+焊接方式能夠?qū)崿F(xiàn)極低的熱阻,基于滑膜觀測器的估算模型能夠?qū)崿F(xiàn)精確的位置控制,實現(xiàn)了高性能的控制功能,滿足氫燃料電池空壓機的特殊要求。
來源:英飛凌,原創(chuàng):動力源,晶川電子
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