电动汽车800V平台逆变器

在过去的几年里,我们道路上的电动汽车 (EV) 的数量显着增加,给设计人员带来了严峻的挑战,例如最大限度地提高 EV 效率、优化充电基础设施和缩短充电时间。

在任何电动汽车中,牵引逆变器都起着至关重要的作用,它将来自 EV 电池的直流电流转换为电机使用的交流电流,以驱动车辆的推进系统。

提高牵引逆变器的性能有几个好处,包括:

  • 在相同电池成本的情况下,续航里程更长、充电时间更短、电池寿命更长,或
  • 使用更小、成本更低的电池来达到相同的续航里程。

电动汽车使用三相交流电机,其工作电压高达 1 kV,开关频率高达 20 kHz。对于目前用于牵引逆变器的硅基 MOSFET 和 IGBT,这些要求非常具有挑战性,因为它们非常接近此类设备的理论极限。事实上,大功率 IGBT 和 MOSFET 不能承受高开关频率,并且由于其在 ON 和 OFF 状态之间的缓慢转换而产生开关损耗。

通过使用适用于高功率和高频应用的宽带隙 (WBG) 半导体,可以克服这些限制。WBG 材料在其导带和价带之间具有很大的能量分离(带隙)(比硅高三倍),使其能够在更高的电压下工作。此外,GaN 具有非常高的临界电场强度,与同等尺寸的硅基晶体管相比,这使得 GaN MOSFET 能够在更高的电压下无故障地运行。反过来,这使得 GaN 晶体管能够使用更小的架构制造,减少分布电容,并实现更高的开关频率。

由于其较高的电子迁移率,GaN 晶体管实现了比等效的硅基 MOSFET 低得多的特定导通电阻,从而将传导损耗减半。此外,GaN 器件产生的废热更少,从而改善了热管理并有助于减少解决方案的占用空间。

由于 GaN 的栅极和输出电荷低于同等的硅基器件,因此它可以提供更快的开启时间和压摆率,同时降低损耗。对于EV 牵引逆变器,这意味着可以减少导通和开关,从而使您可以行驶更长的距离或使用更小的电池。

如表 1 所示,根据标称任务配置文件,典型的 EV 牵引逆变器在 95% 的行驶时间内在其满额定负载的 30% 下运行。在这些条件下,开关损耗比传导损耗占主导地位。

表 1:典型 EV 牵引逆变器的任务概况

如果我们想提高电动汽车牵引逆变器的效率,我们有三个选择:

  1. 在特定条件下将逆变器的硅基功率器件替换为等效的 GaN 组件。与具有低品质因数和零反向恢复电荷的 GaN 器件不同,硅 MOSFET 具有不可忽略的反向恢复电荷,这取决于它们的尺寸和特性。当 MOSFET 关闭时,体二极管中的反向恢复电荷会产生损耗,这些损耗加起来就是总开关损耗。这些损耗与开关频率的增加成正比,使得 MOSFET 不适用于许多高频应用。
  2. 迁移到基于 SiC MOSFET 和 SiC 二极管的完整 SiC 解决方案,以降低损耗。与传统的硅基功率器件相比,SiC MOSFET 可以在更高的开关频率下工作,从而使您能够减小电感器、电容器、变压器的尺寸和重量以及系统冷却。然而,大电流 SiC MOSFET 受到单片载流能力低和在较高温度下退化等问题的影响。此外,SiC MOSFET 和 IGBT 都需要适当的栅极驱动和电路保护。
  3. 采用 T 型混合设计,由 IGBT 和 GaN 解决方案组成,提高了低负载下的传动系统效率。该方案结合了 IGBT 的低成本和低导通损耗以及 GaN 的出色开关性能。部分负载时,逆变器工作在三电平模式,此时IGBT两端的电压为400V,从而降低了损耗。在满载时,逆变器切换到两电平模式,此时 IGBT 两端的电压上升到全总线电压 (800V)。

应该注意的是,在两电平逆变器中,输出电压是通过使用具有两个电压电平的 PWM 产生的。这会在输出电压和电流中产生高水平的总谐波失真 (THD)。为了克服这个问题,使用一个大容量的电容器来吸收由 PWM 开关频率产生的纹波电流。

在三电平 T 型逆变器(如图 1 所示)中,适用于光伏逆变器和工业电机驱动等应用,可在中性线钳位腿上使用 GaN 器件。这种拓扑减少了逆变器输出的总谐波失真,提高了系统的整体效率。与传统的两电平配置相比,T 型混合拓扑降低了 92% 的开通损耗和 83% 的关断损耗。

图 1:混合(GaN 和 IGBT)逆变器拓扑

上述三个选项的效率已针对 150kW、800V 逆变器进行了评估。在三电平架构中,GaN 器件使逆变器在大部分工作范围内(负载 < 30%)都非常高效,而 IGBT 有助于满足峰值期间的功率需求(见表 2)。

表 2:不同器件的加权平均功率损耗

混合解决方案的加权平均效率非常接近 SiC 解决方案,但相对于 IGBT 解决方案提供了 80% 的改进。由于该解决方案需要额定电流为逆变器最大电流输出 30% 的 GaN HEMT,因此成本也明显低于 SiC 解决方案,后者需要 100% 额定电流 SiC MOSFET 和 100% 额定电流 SiC 反并联二极管。另一方面,由于电感器、变压器、电容器和散热器的尺寸更小,SiC 提供了额外的好处,例如减小了尺寸、重量和材料使用量。与基于硅的解决方案相比,基于 SiC 的设计的主要缺点是成本较高。

总而言之,混合 T 型牵引逆变器配置结合了 GaN 和 IGBT 功率半导体技术的优势(IGBT的低成本和低导通损耗以及 GaN 的低损耗开关性能),提出了一种高效的拓扑结构,能够满足 EV 逆变器的成本、性能和范围解决方案要求。

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