在過去的幾年里，我們道路上的電動汽車 (EV) 的數(shù)量顯著增加，給設(shè)計人員帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，例如最大限度地提高 EV 效率、優(yōu)化充電基礎(chǔ)設(shè)施和縮短充電時間。
在任何電動汽車中，牽引逆變器都起著至關(guān)重要的作用，它將來自 EV 電池的直流電流轉(zhuǎn)換為電機使用的交流電流，以驅(qū)動車輛的推進系統(tǒng)。
提高牽引逆變器的性能有幾個好處，包括：
- 在相同電池成本的情況下，續(xù)航里程更長、充電時間更短、電池壽命更長，或
- 使用更小、成本更低的電池來達到相同的續(xù)航里程。
電動汽車使用三相交流電機，其工作電壓高達 1 kV，開關(guān)頻率高達 20 kHz。對于目前用于牽引逆變器的硅基 MOSFET 和 IGBT，這些要求非常具有挑戰(zhàn)性，因為它們非常接近此類設(shè)備的理論極限。事實上，大功率 IGBT 和 MOSFET 不能承受高開關(guān)頻率，并且由于其在 ON 和 OFF 狀態(tài)之間的緩慢轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生開關(guān)損耗。
通過使用適用于高功率和高頻應(yīng)用的寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體，可以克服這些限制。WBG 材料在其導(dǎo)帶和價帶之間具有很大的能量分離（帶隙）（比硅高三倍），使其能夠在更高的電壓下工作。此外，GaN 具有非常高的臨界電場強度，與同等尺寸的硅基晶體管相比，這使得 GaN MOSFET 能夠在更高的電壓下無故障地運行。反過來，這使得 GaN 晶體管能夠使用更小的架構(gòu)制造，減少分布電容，并實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。
由于其較高的電子遷移率，GaN 晶體管實現(xiàn)了比等效的硅基 MOSFET 低得多的特定導(dǎo)通電阻，從而將傳導(dǎo)損耗減半。此外，GaN 器件產(chǎn)生的廢熱更少，從而改善了熱管理并有助于減少解決方案的占用空間。
由于 GaN 的柵極和輸出電荷低于同等的硅基器件，因此它可以提供更快的開啟時間和壓擺率，同時降低損耗。對于EV 牽引逆變器，這意味著可以減少導(dǎo)通和開關(guān)，從而使您可以行駛更長的距離或使用更小的電池。
如表 1 所示，根據(jù)標稱任務(wù)配置文件，典型的 EV 牽引逆變器在 95% 的行駛時間內(nèi)在其滿額定負載的 30% 下運行。在這些條件下，開關(guān)損耗比傳導(dǎo)損耗占主導(dǎo)地位。
表 1：典型 EV 牽引逆變器的任務(wù)概況
如果我們想提高電動汽車牽引逆變器的效率，我們有三個選擇：
- 在特定條件下將逆變器的硅基功率器件替換為等效的 GaN 組件。與具有低品質(zhì)因數(shù)和零反向恢復(fù)電荷的 GaN 器件不同，硅 MOSFET 具有不可忽略的反向恢復(fù)電荷，這取決于它們的尺寸和特性。當 MOSFET 關(guān)閉時，體二極管中的反向恢復(fù)電荷會產(chǎn)生損耗，這些損耗加起來就是總開關(guān)損耗。這些損耗與開關(guān)頻率的增加成正比，使得 MOSFET 不適用于許多高頻應(yīng)用。
- 遷移到基于 SiC MOSFET 和 SiC 二極管的完整 SiC 解決方案，以降低損耗。與傳統(tǒng)的硅基功率器件相比，SiC MOSFET 可以在更高的開關(guān)頻率下工作，從而使您能夠減小電感器、電容器、變壓器的尺寸和重量以及系統(tǒng)冷卻。然而，大電流 SiC MOSFET 受到單片載流能力低和在較高溫度下退化等問題的影響。此外，SiC MOSFET 和 IGBT 都需要適當?shù)臇艠O驅(qū)動和電路保護。
- 采用 T 型混合設(shè)計，由 IGBT 和 GaN 解決方案組成，提高了低負載下的傳動系統(tǒng)效率。該方案結(jié)合了 IGBT 的低成本和低導(dǎo)通損耗以及 GaN 的出色開關(guān)性能。部分負載時，逆變器工作在三電平模式，此時IGBT兩端的電壓為400V，從而降低了損耗。在滿載時，逆變器切換到兩電平模式，此時 IGBT 兩端的電壓上升到全總線電壓 (800V)。
應(yīng)該注意的是，在兩電平逆變器中，輸出電壓是通過使用具有兩個電壓電平的 PWM 產(chǎn)生的。這會在輸出電壓和電流中產(chǎn)生高水平的總諧波失真 (THD)。為了克服這個問題，使用一個大容量的電容器來吸收由 PWM 開關(guān)頻率產(chǎn)生的紋波電流。
在三電平 T 型逆變器（如圖 1 所示）中，適用于光伏逆變器和工業(yè)電機驅(qū)動等應(yīng)用，可在中性線鉗位腿上使用 GaN 器件。這種拓撲減少了逆變器輸出的總諧波失真，提高了系統(tǒng)的整體效率。與傳統(tǒng)的兩電平配置相比，T 型混合拓撲降低了 92% 的開通損耗和 83% 的關(guān)斷損耗。
圖 1：混合（GaN 和 IGBT）逆變器拓撲
上述三個選項的效率已針對 150kW、800V 逆變器進行了評估。在三電平架構(gòu)中，GaN 器件使逆變器在大部分工作范圍內(nèi)（負載 < 30%）都非常高效，而 IGBT 有助于滿足峰值期間的功率需求（見表 2）。
表 2：不同器件的加權(quán)平均功率損耗
混合解決方案的加權(quán)平均效率非常接近 SiC 解決方案，但相對于 IGBT 解決方案提供了 80% 的改進。由于該解決方案需要額定電流為逆變器最大電流輸出 30% 的 GaN HEMT，因此成本也明顯低于 SiC 解決方案，后者需要 100% 額定電流 SiC MOSFET 和 100% 額定電流 SiC 反并聯(lián)二極管。另一方面，由于電感器、變壓器、電容器和散熱器的尺寸更小，SiC 提供了額外的好處，例如減小了尺寸、重量和材料使用量。與基于硅的解決方案相比，基于 SiC 的設(shè)計的主要缺點是成本較高。
總而言之，混合 T 型牽引逆變器配置結(jié)合了 GaN 和 IGBT 功率半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)勢（IGBT的低成本和低導(dǎo)通損耗以及 GaN 的低損耗開關(guān)性能），提出了一種高效的拓撲結(jié)構(gòu)，能夠滿足 EV 逆變器的成本、性能和范圍解決方案要求。