日本電裝開(kāi)發(fā)出GaN 三電平汽車(chē)電驅(qū)方案

據(jù)日媒報(bào)道，名古屋大學(xué)和日本電裝公司利用橫向 GaN HEMT，合作開(kāi)發(fā)出了一種 800V 兼容逆變器（三相、三電平），主要用于驅(qū)動(dòng)使用的電動(dòng)汽車(chē)牽引電機(jī)（圖 1）。

據(jù)了解，名古屋大學(xué)與松下控股、豐田合成、大阪大學(xué)和電裝合作，參與了日本環(huán)境省自 2022 年以來(lái)實(shí)施的項(xiàng)目“加速實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新 CO? 減排材料的社會(huì)實(shí)施和傳播項(xiàng)目”。新開(kāi)發(fā)的高壓三電平逆變器是該項(xiàng)目努力的結(jié)果。

圖1 ：電裝橫向 GaN HEMT 電驅(qū)逆變器（左）、單相降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器運(yùn)行時(shí)的開(kāi)關(guān)波形（右）。

提高電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）的價(jià)值。在汽車(chē)系統(tǒng)中引入更先進(jìn)的電力電子技術(shù)的速度正在加快。其中，一個(gè)典型的例子是基于碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 的功率半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用。

隨著電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的不斷發(fā)展，電力電子技術(shù)的引入速度正在加快，尤其是基于碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的功率半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用。這些新材料的功率半導(dǎo)體具有顯著的潛力，但簡(jiǎn)單地用它們?nèi)〈F(xiàn)有的硅基功率半導(dǎo)體是無(wú)效的。根據(jù)設(shè)備的使用目的，需要優(yōu)化電路技術(shù)、控制技術(shù)和外圍元件以充分發(fā)揮其潛力。

然而，雖然基于新材料的功率半導(dǎo)體有很大的潛力，但簡(jiǎn)單地用它們?nèi)〈F(xiàn)有的硅基功率半導(dǎo)體是無(wú)效的。需要根據(jù)設(shè)備的使用目的，優(yōu)化電路技術(shù)、控制技術(shù)和外圍元件以發(fā)揮GaN的潛力。

名古屋大學(xué)與日本電裝的這項(xiàng)成就將響應(yīng)時(shí)代需求，擴(kuò)大 GaN 器件的應(yīng)用，并為車(chē)載電力電子技術(shù)的進(jìn)一步復(fù)雜化和多樣化做出貢獻(xiàn)。

名古屋大學(xué)和電裝開(kāi)發(fā)的三電平逆變器是一項(xiàng)有望應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)。這種技術(shù)以低損耗、低諧波和低失真交流電源高效運(yùn)行高輸出電機(jī)。三電平逆變器與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

○ 降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲：在三電平逆變器電路中，功率半導(dǎo)體以兩個(gè)串聯(lián)連接，施加到每個(gè)器件上的電壓是兩電平電路的1/2，從而減少了逆變器運(yùn)行時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲。通過(guò)降低開(kāi)關(guān)噪聲，可以減小作為噪聲抑制元件的LC濾波器的尺寸。

○ 使用低壓功率半導(dǎo)體：可以使用低壓功率半導(dǎo)體配置以更高電壓驅(qū)動(dòng)的逆變器。一般來(lái)說(shuō)，擊穿電壓越低，功率半導(dǎo)體的損耗越低，開(kāi)關(guān)速度往往越高。GaN器件比Si具有更高的耐壓和更高的效率，并且可以比SiC更高的速度運(yùn)行，其應(yīng)用范圍將擴(kuò)大，使用價(jià)值將增加。

○ 減少電機(jī)損耗：為電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的交流電機(jī)設(shè)計(jì)為以理想的正弦交流功率輸入高效旋轉(zhuǎn)。在PWM控制中，雖然宏觀上會(huì)產(chǎn)生可以被視為正弦波的交流功率波形，但實(shí)際上每次功率半導(dǎo)體切換時(shí)，電流值都會(huì)細(xì)微增加或減少，導(dǎo)致電機(jī)中出現(xiàn)繞組渦流損耗、磁體渦流損耗和定子鐵芯鐵損。使用能夠高頻工作的GaN器件來(lái)提高載波頻率（開(kāi)關(guān)頻率）并引入三個(gè)電平，可以減少總諧波失真（THD）并抑制電機(jī)中的損耗。

三電平逆變器本身并不是一項(xiàng)新技術(shù)。迄今為止，它已被引入處理特別大功率的電力電子設(shè)備中，例如鐵路逆變器、工業(yè)應(yīng)用中的大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及數(shù)據(jù)中心中使用的不間斷電源系統(tǒng)（UPS）。這一成就為進(jìn)一步促進(jìn) EV 逆變器領(lǐng)域的高效率、緊湊性和高可靠性指明了道路。

電動(dòng)汽車(chē)用 800V 三相三電平逆變器使用開(kāi)發(fā)的 GaN 器件，采用二極管中性點(diǎn)鉗 （NPC） 型（圖 2）。功率半導(dǎo)體采用水平 GaN HEMT，額定電壓為 650V，額定電流為 60A。該電路由四個(gè)并聯(lián)排列的 GaN HEMT 組成，形成一個(gè)單相電路，三相電路設(shè)計(jì)為輸出功率相當(dāng)于 40 kW。

圖 2 ：GaN HEMT 逆變器主電路的換向電流路徑。

據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)去掉了單相部分，在實(shí)際工作中施加了 800V 直流輸入的兩串聯(lián)平滑電容器的一側(cè)直接施加了 400 V 的電壓，通過(guò)操作 DC-DC 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器，確認(rèn)了它在 13 kW 的輸出功率下表現(xiàn)出正常的開(kāi)關(guān)特性。如果轉(zhuǎn)換為 800V DC的三相交流輸出，則可以以相當(dāng)于 40 kW 的功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

此外，電磁場(chǎng)模擬用于驗(yàn)證三電平和兩電平電機(jī)驅(qū)動(dòng)期間的損耗，并評(píng)估這三個(gè)電平的應(yīng)用效果（圖 3）。當(dāng)電路配置相同的 GaN HEMT 時(shí)，與常用領(lǐng)域 600 V DC、20 kHz 載波頻率和 3000 rpm 的驅(qū)動(dòng)條件進(jìn)行比較，已證實(shí)電機(jī)的鐵損可以減少 18.3%。高速低扭矩區(qū)域和低速高扭矩區(qū)域之間的電流值差異很大，電機(jī)中的鐵損會(huì)波動(dòng)。將來(lái)，將根據(jù)此分析結(jié)果建立最佳控制方法。

圖 3 ：定子鐵芯鐵損的諧波頻率依賴性。

三電平逆變器的 40kHz 分量的鐵損已大大降低。因此，即使開(kāi)關(guān)頻率相同，總諧波失真 （THD） 幾乎相同，與兩電平逆變器相比，電機(jī)總鐵損也可以降低 18.3%。

該團(tuán)隊(duì)使用四個(gè)并聯(lián)耐壓為 650 V 的 GaN 垂直 MOSFET 制作了輸出功率為 10 kW 的三相 GaN 逆變器的原型，并通過(guò)在電機(jī)臺(tái)架上演示實(shí)際機(jī)器來(lái)確認(rèn)其運(yùn)行情況。

領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)發(fā)這款逆變器的名古屋大學(xué)特聘教授鹽崎浩司說(shuō)：“在新開(kāi)發(fā)的逆變器中，通過(guò)使用四個(gè)并聯(lián)的功率半導(dǎo)體來(lái)增加電流量，我們正在開(kāi)發(fā)一種大電流容量的垂直 GaN 器件，我們將用大電流的垂直 GaN 器件取代三電平逆變器。”