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Analysis, Design, and Experimental Assessment of a High Power Density Ceramic DC-Link Capacitor for a 800 V 550 kVA Electric Vehicle Drive Inverter

电容器 电气工程 电容 逆变器 电解电容器 材料科学 储能电容器 电压 尺寸 去耦电容器 电子工程 工程类 电极 物理 艺术 视觉艺术 量子力学
作者
Davide Cittanti,Fausto Stella,Enrico Vico,Chaohui Liu,Jing Shen,Guidong Xiu,Radu Bojoi
出处
期刊:IEEE Transactions on Industry Applications [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:59 (6): 7078-7091 被引量:3
标识
DOI:10.1109/tia.2023.3307101
摘要

The drive inverter is a crucial component of an electric vehicle (EV) powertrain, being responsible for the DC/AC power conversion between the battery and the electric motor. The increasing demand for lower weight and higher conversion efficiency is opening new challenges, encouraging the adoption of new technologies (e.g., wide bandgap semiconductor devices). In particular, the DC-link capacitor typically represents the bulkiest inverter component, posing a strict limitation to the achievable converter power density and thus being subject to great pressure for improvement. In this context, novel ceramic capacitor technologies (e.g., PLZT) promise superior performance with respect to well established film-based solutions, featuring both higher specific capacitance and higher RMS current capability. Therefore, this article focuses on the analysis, sizing, design, and experimental assessment of a PLZT-based ceramic DC-link capacitor for next-generation EV drive inverters, including a comparative assessment with a state-of-the-art film-based solution. In particular, in view of the non-linear behavior of the PLZT capacitance value with respect to the DC-bias voltage and the amplitude of the excitation, a novel correlation between the effective large-signal capacitance and the peak-to-peak voltage ripple is derived experimentally, providing useful information for the DC-link capacitor sizing (i.e., not available from the capacitor manufacturer). For verification purposes, a full-scale DC-link capacitor prototype for a SiC MOSFET 800 V, 550 kVA, and 20 kHz drive inverter is realized, demonstrating superior power density (i.e., $\approx$ two thirds smaller and $\approx$ one third lighter than a corresponding film-based solution). Finally, the inverter prototype is also exploited to validate experimentally the proposed DC-link peak-to-peak voltage ripple estimation procedure, based on the newly obtained large-signal capacitance characterization.

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