除了SiC,GaN也可实现高效、经济的800V EV牵引逆变器

2020-05-27来源: EEWORLD关键字:GaN  SiC

过去几年中,道路上的电动汽车数量迅速增加,业内分析师预计,到2040年将售出5600万辆新电动汽车。根据彭博NEF的《电动汽车展望》,这一增长所伴随的电力消耗将上升至1800TWh,占全球电力的5%。体积更小,重量更轻的电子元件将为电动汽车行业和生态系统带来变化的关键。


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图1在汽车应用中使用GaN器件可以减小尺寸,重量和系统成本。


电动汽车中主逆变器的高效是电动汽车效率的最关键因素,在电动传动系统中,牵引逆变器将电动汽车电池的直流电流转换为交流电流,以供电动机用来驱动车辆的推进系统。提高牵引逆变器的效率将使:


在相同电池成本的情况下,续航里程更长,充电周期更少,电池寿命更长。或者可以使用更小,成本更低的电池以达到相同的续航里程,这两者都将有助于提高电动汽车的竞争优势。


对于电动汽车,牵引逆变器中使用的半导体会对效率,功率密度和冷却要求产生重大影响。当今电动汽车中使用的三相交流电动机的运行电压高达1000V,开关频率高达20 kHz。这非常接近目前在牵引逆变器中使用的硅基MOSFET和IGBT的运行极限。如果没有重大的技术突破,基于硅的MOSFET和IGBT将很难满足下一代电动汽车的运行要求。


这些限制是由硅半导体的物理性质和器件本身的结构所固有的。大型IGBT和MOSFET难以在高频下切换,并且会因其在ON和OFF状态之间的切换过慢而引起开关损耗。理论上,逆变器在更高的频率下效率更高,但是随着工作频率的增加,设备固有的开关损耗则会超过转换收益。此外,设备的长开关时间也会限制逆变器的工作频率。


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图2:在EV牵引逆变器中使用GaN可以提高运行时间或降低电池成本。


宽带隙材料


这些限制可以通过使用替代材料来克服,这些替代材料被称为宽带隙(WBG)半导体,其特性更适合于高功率,高频应用。有几种有前途的宽禁带半导体技术,其中氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)是当今最成熟且商用化的。宽禁带材料在其导带和价带之间具有较大的能量分离。例如,硅的1.1eV带隙值和GaN的3.4eV带隙之间的差异使GaN能够以比硅基器件更高的电压工作。此外,GaN还具有其他一些特性,使其成为逆变器和其他大功率应用的不错选择。


GaN的其他重要特性之一是其高临界电场强度(〜5×10E6 Vcm),这使GaN晶体管比相同尺寸的硅晶体管具有更高的击穿电压。此特性允许使用小得多的晶体管结构来制造给定工作电压范围的GaN半导体器件。较小的结构使系统需要更小的电容以及更高的开关频率。


同样引人注目的是GaN的电子迁移率,是Si的1000倍以上。该特性使GaN器件的等效单位面积硅基MOSFET的单位面积RDS(on)(导通电阻)降低了一半,从而使传导损耗降低了50%。因为GaN功率晶体管产生的废热更少,所以它们需要更小的散热器和更简单的热管理系统,使设计人员能够创建更简单,更紧凑的产品。


GaN和SiC技术在很大程度上是互补的,并且将继续共存。它们目前涵盖不同的电压范围,其中GaN器件最适合在数十至数百伏特的应用范围内使用,而SiC则更适合大约一千伏至几千伏的电源电压。对于中低压应用(低于1200V),GaN的开关损耗至少比650V的SiC低三倍。SiC在650V时具有某些产品可用性,但通常设计用于1200V及更高的电压。


从系统的角度来看,GaN的价值来自尺寸,重量和成本的降低,成本包括BOM成本(其他系统组件的成本,如电容器,散热器和电感器的成本),使用和散热成本。例如,在电源中从Si变为GaN可能会削减诸如变压器之类的磁性组件的尺寸。所有这些都可以在实现更高效率或更高功率密度以及两者同时兼顾。


GaN器件制造商在材料和工艺技术上的飞速发展,导致用于电动汽车(EV,PHEV和轻度混合动力车)的高压大功率应用产品的性能和成本都有了显着改善。


好处


GaN的其他优点包括,其栅极和输出电荷比等效的Si器件低。这使基于GaN的设计能够实现更快的导通时间和压摆率,同时减少损耗。基于GaN的逆变器不仅可以减小传导损耗,而且还可以减小大功率应用中的开关损耗。在电动汽车中,这些增加的效率可直接转化为更长的范围或使用较小的电池的等效范围。


对于电动汽车和许多其他应用,因为高开关频率会产生更高的开关损耗,从而降低逆变器的效率,所以电机通常将牵引逆变器的开关频率限制为10 kHz。


但是,当逆变器的开关频率通常仅为10 kHz时,为什么还要关心开关损耗呢?主要是因为电动汽车在95%的行驶时间内,电动汽车的牵引逆变器在其全部额定负载的30%下运行。在低负载下,逆变器的开关损耗将比传导损耗更为重要。表1列出了牵引逆变器的典型任务曲线。


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表1典型EV牵引逆变器的任务曲线


让我们更详细地看一个示例,该示例比较典型EV在其各种操作模式下的系统效率。对于此示例,所讨论的车辆具有150 kW三相逆变器(每相50 kW),该逆变器采用脉宽调制(PWM)控制,电池的输出电压为500-800V,电机的额定工作电压为400VAC(相间)。我们的研究将分为三个方向:


用等效的GaN组件代替逆变器的大功率Si器件

采用具有SiC MOSFET和SiC二极管的全SiC解决方案以减少损耗

采用由IGBT和GaN解决方案组成的T型混合设计


由于牵引逆变器在90%的时间内一直以其<30%的额定电流运行,因此第三种情况旨在提高低负载(“最高”速度以外的所有运行模式)下的传动系统效率。


同样,我们所有情况的逆变器规格为:VBUS = 800V,VAC = 400VRMS,额定相功率= 50 kW,IPEAK =〜180A,IRMS =〜125A。


情况1.用GaN器件代替Si


我们知道,由于GaN的FOM低且反向恢复电荷(Qrr)为零,因此开关频率,磁性设计和开关损耗将大大降低。我们还知道,Si MOSFET的典型反向恢复电荷在50至60 ℃的范围内,具体取决于其尺寸和特性。当MOSFET关闭时,体二极管中的Qrr会产生损耗,这些损耗会增加整个系统的开关损耗。这些损耗与开关频率成比例地增加,使得MOSFET在许多应用中不适合用于更高的频率。


情况2.用SiC器件代替Si


与两级,三相逆变器拓扑中的基于Si的MOSFET和IGBT相比,SiC MOSFET的操作性能赢得了电动汽车系统开发商的关注。与Si器件相比,SiC器件可以提高开关频率,从而降低了系统冷却和滤波要求。在更高的频率下,我们知道我们可以减小电感器,电容器和变压器等元件的尺寸和重量。不幸的是,SiC MOSFET是相对较新的技术,随着技术的成熟,它仍然经历着不断增长的痛苦。结果,已知高电流SiC MOSFET具有诸如单芯片载流能力低和在较高温度下劣化等问题。此外,SiC MOSFET和IGBT需要特殊的栅极驱动和电路保护,并且往往比其他解决方案贵得多。


这种GaN / IGBT混合解决方案结合了不同功率半导体技术的优势,即IGBT的低成本和低传导损耗以及GaN的良好开关性能(图3)。


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图3 GaN / IGBT T型逆变器结合了不同功率半导体技术的优势。


此外还更改了运行规则,该规则现在结合了在不同负载条件下的两级和三级控制。在部分负载(峰值80 A)下,逆变器以三电平模式运行,其中IGBT两端的电压仅为400V,仅为母线电压的一半,从而降低了IGBT中的损耗。在满载时,逆变器切换到两级模式,此时中性钳位脚(S2和S3)被禁用,从而使IGBT两端的电压上升到全母线电压,即800V。


设定了此解决方案的操作规则后,让我们回顾一下逆变器拓扑选择。逆变器拓扑可以根据它们产生的输出交流线路电压电平的数量进行分类(例如,两级,三级)。在两级电平逆变器中,通过使用具有两个电压电平的PWM可以产生输出电压波形。这会导致逆变器的输出电压和电流波形失真,从而产生高水平的总谐波失真(THD)。标准的两级,三相逆变器架构通常用于永磁(PM)牵引电机应用,它还需要庞大的DC链路电容器来吸收PWM开关频率产生的大纹波电流。


使用常规的两级相脚拓扑,所有开关转换都在较高的VBUS电平下发生,并且Si器件的反向恢复损耗很高。根据经验,可以说开关频率越快,反向消耗的功率比例就越大;在大功率电路中,这成为限制因素。


三电平T型逆变器在光伏逆变器和工业电机驱动器等应用中广为人知。区别在于在中性钳位上采用GaN器件。这种中性点钳位(NPC)拓扑已在大功率应用中流行,因为它可以实现比传统的两电平电压源逆变器更好的谐波降低,并且可以采用相关的控制策略来最小化半导体损耗。通过在三相中实现T型,THD的输出电压降低,从而提高了系统的整体效率。


得益于混合逆变器的GaN HEMT的归零恢复以及IGBT两端的电压应力减半,其导通损耗降低了92%,关断损耗降低了83%(与传统的2级配置相比)。


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图4:比较Eon(左)和Eoff(右)的开关能量。资料来源:GaN System


效率比较


现在,对于上述三种情况,我们都可以对150 kW,800V牵引逆变器进行系统加权平均效率分析。对于情况3,GaN 3L(三电平有源中性点钳位架构),该逆变器在大部分工作范围内有效运行(负载小于30%),并使用2L IGBT来

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关键字:GaN  SiC 编辑:冀凯 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/dygl/ic498431.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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