发布时间：2024-12-20 14:00:16 人气：
逆变器功率密度100 kW/L，SiC少用一半，它是怎么做到的？
弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心的G-Q Lu教授开发出一款具有100 kW/L逆变器功率密度的双面冷却(SiC)模块，这在传统SSC模块的基础上实现了显著提升。在电动汽车市场日益增长的背景下，电动汽车的充电问题和基础设施不足成为关注焦点。通过采用双面冷却技术，该模块不仅提升了牵引逆变器性能，还减少了SiC芯片数量，降低了成本，从而解决了功率密度的挑战。
双面冷却模块的关键在于其创新设计，如图2所示，通过减少有源元件数量，将热阻Rth-JC降低30%以上，并优化了功率密度和电感。G-Q Lu团队在芯片贴装上采用低温烧结的多孔银短金属柱，相较于传统方法，具有更好的导热性和可靠性。他们还使用纳米银烧结技术，以提高凝聚力和附着力，同时采用低热膨胀系数的密封剂和场分级材料，增强了模块的绝缘性能。
结果显示，经过200°C温度测试的1.2 kV SiC模块展示了显著的冷却效果，而10 kV双面冷却SiC整流器模块在高功率密度和高压环境中表现出色。这些创新封装方法不仅提高了功率密度，还降低了对SiC和Cu等材料的依赖，对于电动汽车的成本效益和效率提升具有重要作用。
总的来说，G-Q Lu教授的团队通过双面冷却技术，为电动汽车逆变器的高效和经济运行开辟了新的可能。这为电动汽车充电基础设施的改进和电动汽车市场的未来发展提供了有力的支持。
逆变器接上负载后输入电压就下降的原因？
如上图所示，输入电压为4.5V，楼主需要设计一个全桥电路将DC4.5V转换为100kHz的方波，通过环形磁芯升压，在次级整流滤波再经Buck电路（LM2596-12.0V）转换为12V电压10W功率的直流电压。
由于要求空间紧凑，采用的全桥工作频率为100kHz，先用纳米晶磁环作为变压器磁芯。利用AP法选择合适尺寸的磁芯，根据电磁感应原理计算得到初级匝数为2T，次级匝数为12T，升压比为6。
绕后将磁环接入电路，在空载时Buck电源能稳定输出12V。但是接入51Ω电阻作为测试负载后发现输出电压仅仅1.13V。51Ω的电阻作为负载，12V电压下消耗功率远未达到设计目标10W
现初步怀疑是设计阶段出了问题，楼主在下面贴上实测波形和详细的计算过程，希望有相关经验和知识的朋友能帮助我分析讨论。
分别测试了空载和带负载时磁环初级和次级的波形如下：
这是空载初级电压波形，脉冲平台期大约3V左右，输入电压是4.5V主要损耗应该是全桥的管压降。
空载次级电压波形，经过升压后平台期约11V左右（升压比为6）。
从空载波形上看，变压器初次级电压波形与设计目标基本一致。
这是带载后的初级电压波形，平台期电压接近1V。
这是带载后的次级电压波形，平台期电压5V左右，使LM2596-12无法正常工作。
对比带载前后的变压器波形，变压器未饱和，可以看出带载后变压器的初次级电压下降严重。是由于变压器功率不够？楼主很不解。反复检查了设计和计算过程，并没有发现错误。
下面贴上设计的计算过程：
步骤一：确定变压器设计的电源参数
输入电压Ui ：4.5V
变压器输出电压 ：20V
变压器工作频率fs：10kHz
电源输出功率Pi: 10 W
变压器工作占空比：50%
整流二极管压降 ：1V
变压器传输功率 ：80%
开关电源功率 ：80%
步骤二：确定初次级匝数比
步骤三：确定高频变压器磁芯材料
选择铁基纳米晶磁环作为磁芯材料，饱和磁感应强度Bs=1.25T，顽绞力1.2A/m，初始磁导率80000，电阻率115μΩ·cm.
步骤四：确定工作磁感应强度Bm
确定磁感应强度B需要考虑两个问题：当输入电压达到最高时磁芯不饱和，变压器温升满足要求。通常选择Bm=（1/3~1/2）Bs=1/3*1.2T=0.4T，考虑到剩磁Br，为避免磁芯饱和，Bm取0.2T。
步骤五：确定磁芯尺寸
磁芯制造商在生产磁芯时会将磁芯有效截面积和窗口面积的乘积（面积积）作为工作功率大小的标识。可传递的功率和面积积存在如下关系：
式中：Ae为磁芯有效截面积（cm2）；Aw为磁芯窗口截面积（cm2）；Pt为变压器视在功率（W）；ΔB为磁通密度变化量，双极性变换器为ΔB＝2Bm（T）（选择了磁芯后可以计算）；f为开关工作频率（Hz）；K为近似系数（正激、推挽中心抽头变压器取K=0.014；全桥、半桥变压器取K=0.017）。
计算变压器传输效率为 ，
将数据代入
选择King magnetics公司生产的30*20*10纳米晶磁环，其有效截面积Ae=0.47 cm2，窗口面积Aw约3.14 cm2。AP=Ae×Aw=1.476 cm4，远远大于所需传输功率对应的AP值。
步骤六：确定原边和副边的绕组匝数
计算初级线圈匝数
式中△B为一个周期内磁感应强度变化大小（T），△B=2Bm；Ae为磁芯有效截面积（cm2）；fs为变压器工作频率（Hz）。
代入数据，算的
取副边匝数 为12T，
取原边匝数 为2T。
步骤七：校验△B的可行性
由于线圈匝数少，楼主在计算过程中没有考虑绕制导线的内阻，原型机只采用了普通铜导线作为绕组材料，应该不会是次级线圈内阻大致的电压跌落。如图：
直观理解，接入空载和接入负载的区别在于变压器次级线圈电流从0变为一定值，次级电流产生的磁通会抵消一部分的初级线圈磁通。
电鱼机没有电容能工作吗？
白金电鱼机没有电容不能正常工作。电容是升压用的，白金起瞬时通断产生高压，电容起倍压作用。
白金电鱼机的工作原理：
白金机有两套振荡系统，一是由初级线圈与电容组成的电子振荡系统，电感量越大，电容越大，振荡周期就越大；二是由弹簧与运动部分（含衔铁、白金动触点及固定螺丝）组成的机械振动系统，弹力越小，运动部分质量越大，振荡周期就越大。一台做得好的白金机，这两个周期是一样的。
电子振荡与机械振荡谐振的好处。
白金机的工作原理是，按下开关时，电源通过白金触点流过初级线圈，把电能转化为磁能储存在线圈里。当磁力大到一定程度时，把衔铁吸动，带动白金触点分开。这时，电源通过并联在两块白金触点上的电容继续流过线圈，衔铁继续运动。在一瞬间电容的电压上升至电源电压时，运动部分在惯性作用下并不会马上让弹力推动白金触点闭合，线圈中的磁能转化为电能向电容充电，电容上的电压继续上升。在磁能耗尽后，电容中的电能反向流经电源，流过线圈。这样形成一个振荡。
从上可以看出，当白金触点分开时，如果电容容量足够，基本不会产生火花的。产生火花，主要是因为其闭合时把跟其并联的电容短路形成放电。如果我们调得好，让电子振荡与机械振荡谐振，并且白金触点恰好在电容的电压为零的瞬间才闭合，那么火花最小，也不会白白地损耗电容的电能了。并且，能在次级感应出正负两个脉冲尖峰，机头当然有力了。此时，能看到机械部分振幅最大。
如果用示波器监视电容上的电压波形是最直观的了。如果调得好，能看到较完整的半波波形。如果调得不好，白金触点不是在电容电压为零时闭合，那么就会看到波形被竖向削去其右边一部分。
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