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整併逆變器/DC-DC/AC-DC EV電力電子系統輕巧上路

2012/2  Josef Drobnik/Beatrice Bernoux
由於電動車內部的設計環境極為有限,故對各個子系統的尺寸、重量與穩定性要求甚嚴;為滿足這些開發條件,透過封裝技術整合逆變器、直流對直流(DC-DC)轉換器,以及交流對直流(AC-DC)轉換器的電力電子系統,遂成為業界發展的新潮流。
目前各個運輸領域皆試圖找出替代石化能源的方式,從而降低運送成本和污染氣體的排放。其中最成熟的替代能源當推電力莫屬,尤其在汽車領域中,已順利研發出動力混合車(HEV)及純電動車(BEV)等應用電力運行的車輛,進而讓電能的重要性更加突顯。  

但相對來說,電力管理也成為電動車最基本的系統要求,須特別注意能源轉換及電力電子系統等部分。因此,本文將以45千瓦(kW)小型都會用車為例,介紹電動車電力電子系統中三種主要組件,包括逆變器(Inverter)、直流對直流(DC-DC)與交流對直流(AC-DC)電力轉換器。  

微縮電力電子系統體積 逆變器設計大有學問 

電動車的電力電子主體為牽引系統,由高壓(HV)牽引電池、逆變器及電動馬達所組成,並須搭配相關的電力電子元件,包括DC-DC轉換器、AC-DC充電器、空調逆變器等,才能確保車輛功能完備。如圖1所示為一般電動車設計的電氣方塊圖。  

圖1 電動車電氣方塊圖

由於車內環境通常都很狹隘,故對系統的要求包括尺寸小、重量輕且穩定可靠等;若換成電力電子系統的說法,就是需要非常高的電力密度、高效益的整合冷卻及高度可靠性。  

尤其逆變器為牽引系統中最關鍵的電力電子組件,其負責從牽引系統電池接收DC電壓輸入,並將其轉換為三相AC電壓再傳給電動馬達。最常見的控制方式為場導向的向量控制,一般拓撲均由以脈衝寬度調變(PWM)驅動的三相(六開關)橋接器組成。  

如圖2所示,DR1、DR2和DR3代表驅動段落,負責控制電力模組,這些驅動器都由12伏特(V)的輔助電源供電,CS1、CS2和CS3則是每一相位的電流感應器,負責將反饋訊號傳回給驅動器;至於電力開關則包括絕緣閘雙極電晶體(IGBT)的Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6,以及二極體(Diode)的D1、D2、D3、D4、D5、D6。  

圖2 逆變器線路圖

由於直流匯流排電壓深深影響逆變器效能及成本,故須找出最佳冷卻技術及逆變器設計架構。舉例來說,若輸出功率相同,150或300伏特直流匯流排的主要差別就在於逆變器成本,因採用150伏特方案,電流須提升至300伏特模式的雙倍,以維持相同功率;同時還須併用額外功率元件才能承受倍增的電流,所以,元件數量和成本幾乎也增加至兩倍。  

此外,採用150伏特逆變器後,驅動器須處理更高的閘電荷,且匯流排電容亦須牽引更高的漣漪電流,設計成本因而大幅增長。如圖3所示,直流匯流排電壓與使用不同價位逆變器組件(相對於150伏特)的關係,可透過詳細的物料清單(BOM)來判斷成本差異;而考量逆變器成本因採用300伏特而大幅下降,以下研究均以此方案的匯流排電壓為主。  

圖3 150/300伏特直流匯流排電壓對逆變器價格的影響比較

實現高功率密度/輕量冷卻系統 液冷式柱狀陣列散熱器助益大 

考量電力電子系統的高功率密度及損失等需求,必須採用高科技液冷系統;而逆變器所採用的技術為液冷式柱狀陣列散熱器,具備先進接腳設計,不僅散熱效果佳,同時也不易損失壓力,又可降低成本。  

透過各種散熱模擬,則可判斷功率模組(Power Module)在最壞狀況下(例如超載10%)所能承受的最高溫度。首先假設由於三相功率模組的對稱性,得以使用整體尺寸縮小六分之一的模型來預測熱流性質,其次係模組使用50%-50%的乙烯乙二醇及水溶液(Ethylene Glycol and Water, EGW)來冷卻;最後,散熱器的接腳直徑及間隔均設定在1.5毫米(mm),IGBT晶圓尺寸則為16毫米×15毫米。  

在此假設下,所得測試結果分別以6LPM(Liter per Minute)和8LPM的流動率表示(圖4)。顯而易見,模組熱點位於IGBT上,其中,6LPM時最高溫為143℃,8LPM最高溫則為139℃,再根據逆變器效率,功率損失約為1.4千瓦。  

圖4 使用不同冷卻液流動率時,逆變器功率模組最高溫有所差異。

因此,為滿足高功率密度和輕量化的冷卻系統設計需求,須採用高科技的柱狀陣列散熱器,如圖5顯示的高密度堆疊解決方案,以及雙重使用逆變器(Dual-use of The Inverter)冷卻板。  

圖5 使用共同冷卻板的整合式電力電子系統剖面圖

打造EV電源轉換器/充電器 模組化/ ZVS拓撲成關鍵   

根據逆變器成本分析結果,顯然300伏特的匯流排電壓優於150伏特電壓,不過,在逆變器前端採用升壓轉換器(Boost Converter)的考量也要一併納入。  

基本上,DC-DC轉換器係取代燃料引擎車輛中的交流發電機功能,可承受牽引電池的高電壓,並轉換為傳統直流12伏特車用系統。為盡量縮小被動式元件尺寸,因而選用500kHz的高切換頻率,如此一來,要維持高效益運作,也要選用最新的零電壓開關(ZVS)拓撲。  

根據整體電動車系統解決方案,轉換器輸出功率則要設定在3千瓦,但為開發較經濟的車款,1.5千瓦版本較為業者接受,如圖6所示為1.5千瓦DC-DC轉換器。此外,考量3千瓦DC-DC轉換器的操作範圍,其大多時間僅能產生部分的正常功率;反觀採用兩套1.5千瓦轉換器的模組化方式,只需低於50%的轉換器輸出功率,故其中一套轉換器會關閉,藉以改善效益。  

圖6 1.5千瓦DC-DC轉換器示意圖

然而,車用轉換器有多種選擇,包括可做為獨立元件或整合在逆變器中,如圖7顯示獨立氣冷式與整合液冷式DC-DC的成本與特殊因子,獨立式版本即可透過強制氣流或液冷等方式冷卻。  

圖7 整合方案對DC-DC與AC-DC成本與輸出功率的影響

另一方面,內建AC-DC充電器的目的係在停車時可對牽引電池充電。正確的充電器電氣規格至為關鍵,若太小就需過長時間才能充分充飽電池;而太大又會增加不必要的重量,同時其用途也只限於特別高的電壓輸出。所以,充電器須納入安全設計及預防措施的考量,包括主動式功率因數校正(PFC)、電磁干擾(EMI)濾波器和交流電源偵測等。  

至於AC-DC充電器的模組化設計及ZVS拓撲選擇,都與DC-DC轉換器類似,兩階段式交錯升壓PFC則可確保功率因數接近一致(圖8)。同時,其冷卻需求也與DC-DC轉換器如出一轍;可在考慮AC-DC的獨立式氣冷與整合式液冷的經濟效益因數解決方案時,直接參照圖7。  

圖8 3千瓦AC-DC充電器示意圖

然而,兩者的使用頻率仍有所差異,特別是充電器只在停車時發生作用,故絕對不會與逆變器同時使用,但仍可和DC-DC轉換器併用(例如當12伏特電池未完全充飽或有實際負載時)。  

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