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尺寸35mm×35mm×27mm——特等奖作品展示:西南交通大学 [“GaN Systems”杯第九届高校电力电子应用设计大赛]

发布日期:2023/12/4 9:26:31 浏览量:787 分享:

队员:冯元(队长)、刘梦轩、杨志、周李奕奂、冯柯渝

指导教师:杨顺风、管乐诗

所属科研团队:西南交通大学电气工程学院列车控制与牵引传动教研团队

科研平台:国家铁路局先进能源牵引与综合节能铁路行业重点实验室、西南交通大学-中车时代微电子学院

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中国电源学会理事长、西安交通大学刘进军教授(右)为特等奖获奖队西南交通大学代表队颁奖


科研团队简介:

西南交通大学电气工程学院列车控制与牵引传动教研团队由国家级教学名师、轨道交通电气化与自动化领域专家冯晓云教授牵头建设,中国工程院院士丁荣军共同指导。团队主要开展电力电子变流技术、电力牵引传动关键技术、列车智能控制与仿真技术、列车主动安全控制等领域的教学和科研工作,逐步形成高性能牵引传动、列车控制和智能优化、黏着控制等三个研究方向,并以此为基础,在功率半导体器件创新开发、车-线-网-图系统综合节能等领域开展探索和研究。以本团队为核心,于2020年成功申报国家铁路局先进能源牵引与综合节能铁路行业重点实验室,于2022年成功申报教育部首批产业学院-西南交大-中车时代微电子产业学院。

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国家铁路局先进能源牵引与综合节能铁路行业重点实验室:

国家铁路局首批认定的铁路行业科技创新基地之一,立足国家重大战略需求,提供先进能源牵引与综合节能相关的基础理论、原创技术、设计研发测试平台、行业工具软件等方面的支撑,努力服务我国铁路从速度规模向质量效能变革。目前已经成熟建设有列车驾驶仿真器、高性能实时仿真机、运行图编制系统、运营调度与信号系统、城市轨道交通数字孪生系统等软硬件实验平台。

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西南交通大学-中车时代微电子产业学院:

教育部首批现代产业学院,由西南交通大学电气工程学院牵头建设,中国工程院院士丁荣军担任院长,面向国家功率半导体“卡脖子”技术的重大战略需求,建有半导体器件工艺VR 实验室、功率半导体器件封测实验室、功率半导体器件与老化实验室、功率半导体器件测试实验室等4个实验室,以及功率半导体器件可靠性、宽禁带器件驱动与应用等2个科研实验室。

参赛队伍简介:

杨顺风副教授,于新加坡南洋理工大学取得博士学位,主要研究方向为模块化多电平变流器运行控制、宽禁带功率器件应用、车载储能系统等。

管乐诗副教授,现就职于哈尔滨工业大学,主要研究方向为高频/超高频功率变换技术、无线电能传输技术、高升压/降压比功率变换技术等。

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从左至右依次为队员刘梦轩、队长冯元、指导老师杨顺风


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答辩现场



获奖作品介绍

01技术参数

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样机整体照片


电动汽车、智能制造、新能源等新兴领域为我国双碳目标和全球能源革命注入新活力,加速能源清洁、低碳化转型。为适应新兴领域产业迅速崛起,本次大赛要求设计一款可用于电机驱动的高效高功率密度三相宽频逆变器。本团队以“高效高功率密度”为核心,从调制策略、储能元件、驱动电路、辅助电源等方面优化电路设计,样机参数为:

  • 输出功率:500W

  • 输入电压:350VDC

  • 输出线电压:220VAC

  • 输出频率范围:0.1Hz-2kHz

  • 输入电流纹波:5.7% @50Hz

  • 输出电压THD:1.279% @50Hz

现场实测样机尺寸为35mm×35mm×27mm,功率密度达到245W/inch3,为赛题要求的37倍。

现场阻感负载工况测试中,输出频率为50Hz、400Hz和2kHz时样机效率分别为98.098%、98.090%和96.930%,样机整体损耗相对于赛题要求降低71%。

采取稳健的散热设计,现场10分钟烤机测试中热成像最热点温度不超过80℃,散热器温度不超过50℃。

样机具有良好的EMC特性,现场电磁兼容传导测试@220VAC/50Hz结果如下,测试参考GB/T9254。

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电磁兼容测试波形@50Hz


样机具有异步电机启动功能,现场400W三相异步电动机空载启动测试中,电机转速上升时间为1.98秒,最大启动电流倍数为1.31。

样机通过隔离串口与外部通信,实现工作状态以及程序参数的调节,方便应用于电机驱动以及微电网等领域。

02创新亮点

变换器基于三相两电平设计,提出一种可在DPWM中实现TCM的调制方法,通过在一个开关周期使电感电流反向来实现GaN器件的ZVS导通,提高系统效率及功率密度;提出一种方法解决DPWM调制中切换点不平滑问题,有效降低输入电流纹波以及输出电压THD。

样机PCB顶层和底层布局图.png

样机PCB布局图


为减小电路体积,电路空间布局和PCB布线紧凑,电阻电容最小封装采用0402。驱动电路的寄生参数较小,驱动波形几乎没有串扰;辅助电源将直流母线电压变换为3.3 V、5 V和9 V给风扇及芯片供电,体积较小。

输出电感采用铂科新材的NPX系列低损耗磁粉芯,并用利兹线绕制,在保持低损耗的同时尽量减小电感体积。

03获奖作品照片

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特别鸣谢

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大赛冠名合作单位

GaN Systems Inc.


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大赛联合支持单位

宁波希磁电子科技有限公司


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大赛联合支持单位

湖南艾华集团股份有限公司


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测试设备指定供应商

艾德克斯电子有限公司


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EMI检测仪器提供服务商

敏业信息科技(上海)有限公司

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