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

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

隨著更強大和高效的電動機、電池及充電基礎(chǔ)設(shè)施的進步，LEV在日常使用中變得更加可行和可靠。分析師預測，LEVs市場在預測期間將經(jīng)歷10.6%的復合年增長率。市場價值預計將從2024年的982億美元增長到2034年的2680億美元。

LEV中的關(guān)鍵組件是傳動系統(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)動電動機。本文基探討了寬帶隙(WBG)半導體，特別是碳化硅和氮化鎵，與傳統(tǒng)硅基設(shè)計相比，在提高LEV傳動系統(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。美國能源部設(shè)定了到2025年實現(xiàn)100 kW/L逆變器功率密度的雄心勃勃的目標，強調(diào)了顛覆性技術(shù)的必要性。盡管一些電動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，同時降低開關(guān)和傳導損耗。這意味著顯著的效率提升和潛在的小型化，從而實現(xiàn)更密集的逆變器設(shè)計。

目前還沒有具體的研究量化使用基于WBG的傳動系統(tǒng)逆變器對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)計考慮

對于LEV，傳統(tǒng)的六開關(guān)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)因其高可靠性、低維護、簡單、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電流/電壓失真而使用。

對于直流鏈路濾波，電容的選擇是一個關(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，對于半導體器件熱通量高于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。

研究提供了詳細的逆變器損耗和體積建模方法。基于這些方法，計算了效率和體積功率密度，后者包括一個體積利用率因子，以考慮包裝的緊湊性。成本估算考慮了半導體、散熱器、電容器、驅(qū)動器和印刷電路板制造的綜合成本。

模擬和實驗驗證

PLECS工具已被用于開發(fā)詳細的逆變器模擬模型，包括來自設(shè)備制造商的數(shù)據(jù)驅(qū)動熱模型。針對10 kVA傳動系統(tǒng)逆變器，使用先進的WBG(SiC/GaN)和硅基器件在三個直流鏈路電壓水平(72 V、150 V和300 V)進行了模擬，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驗結(jié)果進行了驗證。

在300 V直流鏈路電壓下，SiC和硅基10 kVA傳動系統(tǒng)逆變器的模擬結(jié)果在之前的文章中進行了描述。例如，圖1報告了在150 V直流鏈路電壓下，基于GaN的10 kVA傳動系統(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，半導體損耗顯著減少(約50%)。此外，增加直流鏈路電壓有可能降低傳導損耗，前提是提供兼容的電池組且電機能在較低電流下產(chǎn)生足夠的扭矩。

原型開發(fā)和性能

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

SiC MOSFET原型實現(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，預計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)在實現(xiàn)LEV傳動系統(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)拓撲，但探索軟開關(guān)技術(shù)，如零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)，提供了進一步提高效率的機會。然而，在整個操作范圍內(nèi)實現(xiàn)完全軟開關(guān)可能既不必要也不實際，需要一個在典型LEV驅(qū)動周期內(nèi)最大化效率的最佳調(diào)制方案。

先進封裝和集成：具有較低寄生效應(yīng)和較高熱導率的創(chuàng)新封裝解決方案可以進一步提高逆變器性能。此外，將驅(qū)動電路和門驅(qū)動器集成到與功率器件相同的芯片上，可以實現(xiàn)更緊湊和高效的設(shè)計。

WBG材料開發(fā)：對GaN襯底和GaN HEMT的級聯(lián)結(jié)構(gòu)的持續(xù)研究有望實現(xiàn)更高的電壓能力和更低的導通電阻，可能使操作在更高的直流鏈路電壓下，以進一步提高效率。

系統(tǒng)級優(yōu)化：優(yōu)化整個LEV傳動系統(tǒng)，包括逆變器、電機和電池組，可以帶來顯著的效率提升。這可能涉及協(xié)同設(shè)計逆變器和電機，以利用WBG器件的優(yōu)勢，并探索如提高電機運行速度等可能性。

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

所提出的評估結(jié)果表明，采用WBG器件在實現(xiàn)LEV傳動系統(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，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。