摘 要 ：
设计并实现了一种基于碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET)的400Hz航空地面节能型软开关中频电源，该系统由控制单元、驱动单元、整流器单元、双路有源软开关脉宽调制（PWM)变换器、采样单元、滤波单元及故障保护单元组成。开关器件选用全SiCMOSFET替代传统的绝缘栅双极型晶体管（IGBT)，并且在开关管切换过程中应用双路有源软开关技术，因SiCMOSFET极低的开关损耗、高开关频率等特点，极大降低了系统整体损耗，电能转换效率大大提高，同时给出了实现该系统所需的总体方案及硬件主回路、控制电路等设计。实验结果表明该电源系统具有良好的稳定性、可靠性及高电能转换效率，满足航空地面设备节能减排设计需求。
引言
据了解，“十二五”以来，民航局大力推进飞机辅助动力装置（APU）专项及“油改电'试点。目前，行业内年旅客吞吐量500万人次以上机场廊桥已基本安装APU替代设施，使用率不断提升，切实贯彻落实了国家《打赢蓝天保卫战三年行动计划》战略。民航客机在停靠廊桥过程中需要对客机进行供电时，出于减少机场区域二氧化碳排放等原 因考虑，需要用地面供电设备替代机载供电设备，以达到节能、减排、增效的目的。航空地面中频电源作为机载APU的替代设备，已然成为了机场必需的地勤保障设备。其工作原理是利用整流、逆变技术将三相50Hz/380V工业电源变换成为单相400Hz/115V的高品质交流电源，供飞机和机载设备使用，替代机载APU，达到节能减排效果。
受限于电力电子技术和电子器件的发展，目前大部分航空地面中频电源普遍存在电能转换效率低、功耗较大的问题。随着国内外机场航空地面中频电源使用率的不断提升，电能转换效率问题逐渐成为电力电子、节能减排领域的研究热点[]如何设计一款高效率、低功耗、高可靠性的航空地面中频电源成为了一项呕驱待解决的重要课题。
2、系统总体设计
为进一步满足400Hz航空地面中频电源的高效率、低功耗、高可靠性的设计需求，将全SiCMOSFET技术和双路有源软开关技术应用到中频电源系统中，电源核心部件整流器和逆变器中的开关器件均选用SiCMOSFET，并采用双路有源软开关技术进行功率管导通切换，从而大大减小了系统在输出400Hz高频交流信号下的开关损耗，提升了系统整体电能转换效率。
该系统控制核心采用的是经典数字信号处理器（DSP）芯片TMS320F2812，该芯片具有高稳定性、良好的数字信号处理能力、事件管理器功能，在此DSP平台上搭建的基于SiCMOSFET的40OHz航空地面中频电源系统的总体设计框图如图1所示，主要由控制单元、驱动单元、整流器单元、双路有源软开关PWM变换器单元、采样单元、滤波单元及故障保护单元组成。其中，Cs为位电容。
2.1控制单元
TMS320F2812作为经典的DSP产品，具有很高的性价比，虽然目前主流的DSP性能均优于TMS320F2812，但针对此处基于SiCMOSFET的400Hz航空地面中频电源系统而言，TMS320F2812的数字处理能力完全可胜任SiCMOSFET的开关频率、系统故障处理能力及来样速度，且市场上易于获得。此款DSP运行最高速率可达150MHz，片内集成多种外设，既具有满足设计需求所需的数字信号处理能力，又具有系统故障保护及预警所需的事件管理能力和嵌入式控制功能，在很多场合，如工业过程控制、电力电子技术、嵌入式应用、仪器仪表等领域中得到了大批量的应用。实验表明，该DSP满足中频电源高频化，采样及数据处理实时化、故障保护及时化的设计需求。
2.2、主回路单元
基于全SiC MOSFET拓扑结构的主回路电路为整个电源系统的核心部件，如图1所示，主回路电路主要包含滤波单元、整流器单元、双路有源软开关PWM变换器单元等。主回路单元的设计好坏关乎整个系统的性能优良，高性能的开关器件与结构合理的硬件拓扑结构对提升整个电源系统的电能转换效率来说缺一不可。主回路硬件拓扑结构为AC/DC/AC模式，具体工作模式为：三相50Hz/380V工业电源输入系统后，先进入滤波单元变为相对纯净的交流电，输入后续的三相全控PWM整流器进行整流，整流后的直流电源经电容滤波后输入后续的双路有源软开关PWM变换器进行交流逆变，最后输出的单相交流电源经变压器变比后输出最终的400Hz/115V的高品质单相交流电源供后续电气负载使用。
2.2.1、全SiC MOSFET拓扑
提高电源电能转换效率的核心是要选择合适的功率开关器件。开关器件在导通和切换时存在导通损耗和开关损耗，且开关损耗与开关频率成正比。传统的Si器件，如ICBT等功率开关器件的开关频率已达上限，而且高开关频率带来的高导通损耗与高开关损耗难以消除2]，这就是基于传统Si器件开关器件拓扑基础上的电源系统的电能转换效率一直不高的主要原因。基于SiC MOSFET拓扑的400Hz航空地面中频电源系统输出为400Hz115V交流电，以研制的10kW实验样机为例，在满足设计需求的高功率密度、高效率基础上，经仿真计算得出整流器及双路有源软开关PWM变换器开关频率为40kHz，传统Si器件开关频率最高约为20kHz，已不能满足设计需求。SiC开关器件与传统的Si开关器件相比较，具有很低的开关损耗和导通损耗、高可靠性、高耐压、高雪崩击穿能力等特点，损耗减至Si开关器件的1/10。
图2示出C2M0025120D型SiC MOSFET在不同温度下的指标对比。其中,Ra为导通电阻，la为漏电流。
2.2.2、双路有源软开关PWM变换器
这里采用双路有源软开关PWM变换模式，双路有源软开关拓扑结构见图1，与传统的硬开关与无源软开关相比，功率开关管在通断切换时会工作在零电压开关（ZVS)和零电流开关（ZCS）模式，因为加入了辅助绕组和反向截止二极管VDsa，VDa，VDa，VDa，辅助绕组的作用是帮助滞后辅助桥臂实现ZVS，反向截止二极管的作用是消除辅助回路的续流电流，因为功率开关管在切换时会存在开关损耗，特别是在高功率、大电流模式下3但是当工作在ZVS或ZCS模式下时，开关损耗降为零，可以极大地降低损耗，提升电能转换效率，从图3时序图可以看出，在开关切换的某些时刻，即工作在ZVS或ZCS模式时，存在电压为零或电流为零的状态，此时可以完成超前臂的ZVS关断和滞后臂的ZCS关断。
如图3所示，双路有源软开关PWM变换器的工作原理如下。
下面从仿真和实验结果两方面进行比对。
Saber仿真结果如图4所示。
对比图4a，b中u可知，当输出功率为6kW时，滞后开关在无源软开关模式下无法实现ZVS。当辅助开关接通时，滞后开关实现ZVS。
实验结果如图5所示。
对比图5a,b中的uan波形，当输出功率为5kW时，滞后开关在有源软开关模式下实现ZVS。仿真结果与实验结果基本一致。
2.3、驱动单元
主回路开关器件选用N沟道SiC MOSFET器件，U=1200V，I=90A,R=25mQ。通过查阅芯片官方资料得知，C2M0025120D开通驱动电压w建议为18~20V左右，同时为了实现C2M0025120D的快速开关特性，在关断SiC MOSFET时一般建议采用-5~-3V关断电压，避免采用0V关断电压时关断过程由于快速开关干扰误触发MOSFET 开通阈值电压。典型驱动电路包括信号隔离、供电隔离和功率驱动等。根据电源系统设计要求，整流器及逆变器开关器件的驱动方案为利用高速光耦实现DSP的PWM输出信号对功率开关的隔离驱动，选用6路集成IC驱动芯片IR2136S完成驱动方案的搭建，设计的功率驱动电路如图6所示。
2.4、故障保护单元
中频电源故障保护功能可以通过两部分模块穴余实现，两个故障保护模块相互热备份，极大地提升了系统的整体可靠性。
2.4.1、控制模块故障保护模式
控制核心TMS320F2812含有事件管理器功能，事件管理器可作为故障保护功能的执行机构，故障保护功能由事件管理器的外部中断PDPINTA和PDPINTB完成激活(5]。故障发生时分别将电路中的过流、过压、欠压及过温等信号相“与”，输入到DSP对应故障保护中断引脚PDPINT中，有任意信号使能时DSP自动切断输出，如图7所示。
2.4.2、驱动模块故障保护模式
集成IC驱动芯片IR2136S作为驱动模块的核心，芯片自带故障保护引脚FAULT，故障发生时，故障保护信号发送给控制模块故障保护单元的同时，也会发送给驱动模块IR2136S芯片的FAULT引脚，当FAULT引脚使能时，驱动芯片自动切断功率输出，起到故障保护的作用。
3、系统控制策略
航空地面中频电源系统的控制策略采用双闭环比例积分微分（PID)控制，利用DSP的模数转换器对电压和电流进行采样，利用电流内环、电压外环的闭环控制方式完成输出电压和频率的精准控制。电流传感器采样开关器件中的电流信号，变送为电压信号u输入DSP的模数转换器作为电流内环输入信号。图8为电压电流双闭环流程图。
4、实验验证
实验目的：测量基于SiC MOSFET的400Hz航空地面软开关中频电源系统原理样机和传统Si MOSFET航空地面中频电源的功率因数。实验对象：①基于SiC MOSFET的400Hz航空地面软开关中频电源系统原理样机，主要电气性能参数：输入三相50Hz/380V工业电，输出单相400Hz/115V电源，功率10kW：②传统Si MOSFET的400Hz航空地面中频电源系统主要电气性能参数：输入三相50Hz/380V工业电源，输出单相400Hz/115V电源，功率约10kW（采购自市场某品牌）；实验器材：福禄克电能质量分析仪：实验方案：用电能质量分析仪测试基于SiC MOSFET 400Hz航空地面中频电源系统原理样机和传统Si MOSFET航空地面中频电源的功率因数；实验结论：由图9中功率因数比对可以看出，基于SiC MOSFET和Si MOSFET两种开关器件搭建的中频电源的功率因数还是有显著区别的，且随着运行时间的加长，功率因数差距拉大；原因分析：SiC开关器件与传统的Si开关器件相比，具有很低的开关损耗、高可靠性、高耐压 压、高雪崩击穿能力等特点，损耗最大约为Si开关器件的1/10，且由图2可见，C2M0025120D在-55℃，25℃和150℃下的导通电阻与漏极电流变化相对稳定，而且由于双路有源ZCS-ZVS软开关的作用，相较于硬开关和无源软开关而言，开关损耗大大降低。由于这些原因，实验过程中随着电源运行时间加长，开关器件温度升高，SiC开关器件表现较Si开关器件稳定，导致两者功率因数差距逐渐拉大。
5、结论
结合SiC MOSFET技术特点，采用全SiC开关器件拓扑结构和双路有源ZCS-ZVS软开关技术，设计了一套400Hz航空地面软开关中频电源系统原理样机，有效地将DSP快速处理数据能力、SiC MOSFET低损耗、高可靠性、高耐压、高雪崩击穿能力和双路有源软开关零开关损耗关断能力结合起来，实现了系统稳定性、高效率与高可靠性的统一，并对系统的控制策略及硬件设计进行了介绍，经实验验证，该系统具有良好的电能转换效率，并且具有可靠性高、稳定性好等优点，非常适用于机场远机位、廊桥、飞机修理厂等需要进行地面设备替代APU的场合。
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系
我们将为您提供高效、贴心的解决方案！
咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
↓ ↓ 点击图片免费领取产品规格书 ↓ ↓ 
想深入了解碳化硅功率器件产品知识？点击→「碳化硅（SiC）课堂」获取详情！
