提升輕型電動(dòng)車性能(LVE)傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器技術(shù)的比較分析

輕型電動(dòng)車(LEV)在全球許多城市，尤其是在空氣污染嚴(yán)重的地區(qū)，正變得越來越受歡迎。人們選擇LEV作為傳統(tǒng)汽油動(dòng)力汽車的更環(huán)保、更有效的替代品。

隨著更強(qiáng)大和高效的電動(dòng)機(jī)、電池及充電基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)步，LEV在日常使用中變得更加可行和可靠。分析師預(yù)測(cè)，LEVs市場(chǎng)在預(yù)測(cè)期間將經(jīng)歷10.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率。市場(chǎng)價(jià)值預(yù)計(jì)將從2024年的982億美元增長(zhǎng)到2034年的2680億美元。

LEV中的關(guān)鍵組件是傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器，它能高效地將電池直流電轉(zhuǎn)換為交流電以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。本文基探討了寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體，特別是碳化硅和氮化鎵，與傳統(tǒng)硅基設(shè)計(jì)相比，在提高LEV傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器的效率和功率密度方面的潛力。

追求更高效率

對(duì)高性能LEV的不斷追求需要更高效率、更高功率密度的逆變器。美國(guó)能源部設(shè)定了到2025年實(shí)現(xiàn)100 kW/L逆變器功率密度的雄心勃勃的目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)了顛覆性技術(shù)的必要性。盡管一些電動(dòng)汽車制造商通過采用SiC在逆變器功率密度方面取得了顯著進(jìn)展，但大多數(shù)領(lǐng)先的原始設(shè)備制造商仍在努力解決15-20 kW/L范圍內(nèi)的逆變器問題。

與硅相比，WBG半導(dǎo)體具有優(yōu)越的材料特性，使它們能夠在更高的電壓和溫度下工作，同時(shí)降低開關(guān)和傳導(dǎo)損耗。這意味著顯著的效率提升和潛在的小型化，從而實(shí)現(xiàn)更密集的逆變器設(shè)計(jì)。

目前還沒有具體的研究量化使用基于WBG的傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器對(duì)LEVs的好處。本文中的研究旨在量化這些好處在LEV應(yīng)用中的體現(xiàn)。

設(shè)計(jì)考慮

對(duì)于LEV，傳統(tǒng)的六開關(guān)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)因其高可靠性、低維護(hù)、簡(jiǎn)單、成本效益和緊湊性而受到青睞。因此，升壓轉(zhuǎn)換器并不受歡迎，而空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)通常因其高效的直流鏈路電壓利用率和在牽引逆變器中減少電機(jī)電流/電壓失真而使用。

對(duì)于直流鏈路濾波，電容的選擇是一個(gè)關(guān)鍵方面。通常，薄膜和多層陶瓷電容器因其高電容密度和適合汽車應(yīng)用而優(yōu)于電解電容器。

由于熱管理影響逆變器的效率和功率密度，對(duì)于半導(dǎo)體器件熱通量高于500 W/cm2和WBG功率器件(其散熱器接觸面積減小)，有效的冷卻系統(tǒng)，如液冷，是首選。

研究提供了詳細(xì)的逆變器損耗和體積建模方法?；谶@些方法，計(jì)算了效率和體積功率密度，后者包括一個(gè)體積利用率因子，以考慮包裝的緊湊性。成本估算考慮了半導(dǎo)體、散熱器、電容器、驅(qū)動(dòng)器和印刷電路板制造的綜合成本。

模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

PLECS工具已被用于開發(fā)詳細(xì)的逆變器模擬模型，包括來自設(shè)備制造商的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)熱模型。針對(duì)10 kVA傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器，使用先進(jìn)的WBG(SiC/GaN)和硅基器件在三個(gè)直流鏈路電壓水平(72 V、150 V和300 V)進(jìn)行了模擬，如表1所示。模擬結(jié)果通過制造商提供的熱模型獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

在300 V直流鏈路電壓下，SiC和硅基10 kVA傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器的模擬結(jié)果在之前的文章中進(jìn)行了描述。例如，圖1報(bào)告了在150 V直流鏈路電壓下，基于GaN的10 kVA傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器的模擬結(jié)果。

模擬結(jié)果顯示，從硅轉(zhuǎn)換到WBG器件(SiC或GaN)時(shí)，半導(dǎo)體損耗顯著減少(約50%)。此外，增加直流鏈路電壓有可能降低傳導(dǎo)損耗，前提是提供兼容的電池組且電機(jī)能在較低電流下產(chǎn)生足夠的扭矩。

原型開發(fā)和性能

為了將模型產(chǎn)生的理論性能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，建立了兩個(gè)逆變器原型：一個(gè)采用在300 V直流鏈路電壓下工作的SiC MOSFET模塊，另一個(gè)采用在150 V直流鏈路電壓下工作的GaN HEMT。

SiC MOSFET原型實(shí)現(xiàn)了98.75%的效率和超過40 kW/L的功率密度。GaN也顯示出有希望的結(jié)果，預(yù)計(jì)150 V直流鏈路原型將提供98.9%的效率和超過45 kW/L的功率密度(圖2)。這些結(jié)果鞏固了WBG技術(shù)在實(shí)現(xiàn)LEV傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器卓越效率和功率密度方面的潛力。

未來技術(shù)探索

以下是未來潛在發(fā)展的幾種方向：

軟開關(guān)技術(shù)：雖然研究側(cè)重于硬開關(guān)拓?fù)洌剿鬈涢_關(guān)技術(shù)，如零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)，提供了進(jìn)一步提高效率的機(jī)會(huì)。然而，在整個(gè)操作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全軟開關(guān)可能既不必要也不實(shí)際，需要一個(gè)在典型LEV驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)最大化效率的最佳調(diào)制方案。

先進(jìn)封裝和集成：具有較低寄生效應(yīng)和較高熱導(dǎo)率的創(chuàng)新封裝解決方案可以進(jìn)一步提高逆變器性能。此外，將驅(qū)動(dòng)電路和門驅(qū)動(dòng)器集成到與功率器件相同的芯片上，可以實(shí)現(xiàn)更緊湊和高效的設(shè)計(jì)。

WBG材料開發(fā)：對(duì)GaN襯底和GaN HEMT的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的持續(xù)研究有望實(shí)現(xiàn)更高的電壓能力和更低的導(dǎo)通電阻，可能使操作在更高的直流鏈路電壓下，以進(jìn)一步提高效率。

系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化：優(yōu)化整個(gè)LEV傳動(dòng)系統(tǒng)，包括逆變器、電機(jī)和電池組，可以帶來顯著的效率提升。這可能涉及協(xié)同設(shè)計(jì)逆變器和電機(jī)，以利用WBG器件的優(yōu)勢(shì)，并探索如提高電機(jī)運(yùn)行速度等可能性。

成本降低策略：雖然WBG器件提供了顯著的性能優(yōu)勢(shì)，但其初始成本可能高于硅。通過制造工藝和材料科學(xué)的進(jìn)步探索成本降低策略，對(duì)于在成本敏感的LEV應(yīng)用中更廣泛采用至關(guān)重要。

所提出的評(píng)估結(jié)果表明，采用WBG器件在實(shí)現(xiàn)LEV傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器顯著更高的效率和功率密度方面具有重大優(yōu)勢(shì)，且成本增加最小。

通過利用WBG技術(shù)并探索上述途徑，研究人員和工程師可以創(chuàng)造新一代高效、緊湊和強(qiáng)大的LEV逆變器，為更可持續(xù)和電氣化的交通未來鋪平道路。