在线观看www成人影院-在线观看www日本免费网站-在线观看www视频-在线观看操-欧美18在线-欧美1级

0
  • 聊天消息
  • 系統消息
  • 評論與回復
登錄后你可以
  • 下載海量資料
  • 學習在線課程
  • 觀看技術視頻
  • 寫文章/發帖/加入社區
會員中心
創作中心

完善資料讓更多小伙伴認識你,還能領取20積分哦,立即完善>

3天內不再提示

GaN器件在電動汽車逆變器中的應用

xymbmcu ? 來源:EDN ? 作者:Juncheng (Lucas) ? 2022-08-08 08:09 ? 次閱讀

氮化鎵 (GaN) 的價值負載波正在快速傳播。其最新的轉換是電動汽車 (EV) 逆變器。隨著過去幾年道路上電動汽車數量的快速增加,行業分析師預計到 2040 年將售出 5600 萬輛新電動汽車。這將伴隨著電力消耗的增加,預計將上升至 1800天。這占全球電力的五 (5)% 。GaN 的相關提升在電動汽車的效率、便利的充電基礎設施和更快的充電解決方案方面顯而易見。更重要的是,體積更小、重量更輕的電子產品是電動汽車行業和生態系統變革的關鍵。

GaN 器件制造商在材料和工藝技術方面的快速進步導致高壓 (800V+) 大功率應用產品的性能和成本顯著提高,例如電動汽車(EV、PHEV 和輕度混合動力車)。GaN 的其他重要特性之一使其對電動汽車很有價值,是它的高臨界電場強度 (~5 × 10 6 V cm),這使得 GaN 晶體管的擊穿電壓比類似的硅晶體管高得多。方面。這種特性允許使用更小的晶體管結構來制造給定工作電壓范圍的 GaN 半導體器件。更小的結構導致器件具有更少的分布電容,可以在更高的開關頻率下工作。

沒有比 EV 中的主逆變器更需要更高效率的例子了。在電動傳動系統中,牽引逆變器將來自電動汽車電池的直流電流轉換為交流電流,供電機使用以驅動車輛的推進系統。提高牽引逆變器的效率將能夠:

在電池成本相同的情況下,續航里程更長、充電周期更少、電池壽命更長,或

使用更小、成本更低的電池來實現相同的續航里程,這兩者都將有助于提高替代汽車技術的可行性。

對于電動汽車,牽引逆變器中使用的半導體對效率、功率密度和冷卻要求有重大影響。當今電動汽車中使用的三相交流電機的運行電壓高達 1,000V,開關頻率高達 20 kHz。這非常接近目前牽引逆變器中使用的硅基金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的操作限制。如果沒有重大的技術突破,硅基 MOSFET 和 IGBT 將難以滿足下一代電動汽車更高的運行要求。

這些限制源于硅半導體物理固有的特性,以及器件本身的結構。大型 IGBT 和 MOSFET 難以在高頻下進行開關,并且會因它們在 ON 和 OFF 狀態之間的緩慢轉換而遭受開關損耗。盡管逆變器在更高頻率下變得更有效率,但隨著工作頻率的增加,設備的固有開關損耗迅速超過這些增益。此外,這些設備的長開關時間限制了逆變器的工作頻率,超過該頻率將無法工作。

圖 2:在 EV 牽引逆變器中使用 GaN 可以增加續航里程或降低電池成本。

寬帶隙材料

使用稱為寬帶隙 (WBG) 半導體的替代材料可以超越這些限制,其特性更適合高功率、高頻應用。有幾種很有前途的 WBG 半導體技術,其中 GaN 和碳化硅 (SiC) 是當今最成熟和商用的。WBG 材料在其導帶和價帶之間具有較大的能量分離。例如,硅的 1.1eV 帶隙值與 GaN 的 3.4eV 帶隙值之間的差異使它們能夠在比硅基器件高得多的電壓下工作。雖然這本身很重要,但 GaN 還具有其他幾個特性,使其成為逆變器和其他高功率應用的理想選擇。

同樣引人注目的是 GaN 的電子遷移率,是 Si 的 1,000 多倍。這種特性使 GaN 器件每單位面積的 R DS(on)(導通電阻)是等效 Si 基 MOSFET 的一半,從而使傳導損耗降低 50%。由于 GaN 功率晶體管可以產生更少的廢熱,因此它們需要更小的散熱器和更簡單的熱管理系統,使設計人員能夠創建更簡單、更緊湊的產品。

GaN 和 SiC 技術在很大程度上是互補的,并將繼續共存。它們目前涵蓋不同的電壓范圍,GaN 器件最適用于幾十到幾百伏的應用,而 SiC 更適合大約 1 到幾千伏的電源電壓。對于中低壓應用(低于 1200V),GaN 的開關損耗在 650V 時至少比 SiC 低三倍。SiC 在 650V 下有一些產品可用性,但通常設計用于 1200V 或更高。

從系統角度來看,GaN 的價值來自于尺寸、重量和成本的降低,后者包括 BOM 成本(其他系統組件的成本,如電容器、散熱器和電感器的成本)、使用成本和冷卻成本。例如,將電源中的 Si 改為 GaN 可以縮小變壓器等磁性元件的尺寸。所有這一切都可以實現,同時實現更高的效率或更高的功率密度,或者兩者兼而有之。

其他好處

除了其他優點外,GaN 的柵極和輸出電荷比等效的 Si 器件低。這使基于 GaN 的設計能夠實現更快的開啟時間和 壓擺率,同時降低損耗。因此,基于 GaN 的逆變器可降低大功率應用中的傳導損耗和開關損耗。在電動汽車中,這些增加的效率直接轉化為更長的續航里程或使用較小電池的等效續航里程。

對于電動汽車和許多其他應用,電動機設計的局限性通常將牽引逆變器的開關頻率限制為 10 kHz,因為高開關頻率會產生更高的開關損耗,從而降低逆變器的效率。

但是,當逆變器開關頻率通常只有 10 kHz 時,我們為什么要關心開關損耗呢?答案是 EV 的標稱任務概況。在 95% 的行駛時間內,電動汽車的牽引逆變器在其滿額定負載的 30% 下運行。在低負載時,逆變器的開關損耗將比傳導損耗占主導地位。牽引逆變器的典型任務概況如表 1 所示。

表 1:典型 EV 牽引逆變器的任務概況

讓我們更詳細地看一個示例,該示例比較了典型 EV 在其運行模式范圍內的系統效率。在此示例中,所討論的車輛具有采用脈寬調制 (PWM) 控制的 150 kW 三相逆變器(每相 50 kW)、輸出電壓為 500-800V 的電池和額定工作電壓的電機400VAC(相間)。我們的研究將檢查三個用例:

用等效的 GaN 組件替換逆變器的大功率硅器件

采用帶有 SiC MOSFET 和 SiC 二極管的全 SiC 解決方案以降低損耗

采用T型混合設計,由IGBT和GaN解決方案組成

由于牽引逆變器在 90% 的時間內以低于其額定電流的 30% 運行,因此第三種情況旨在提高低負載(除“最高”速度以外的所有運行模式)下的傳動系統效率。

同樣,我們所有情況的逆變器規格為:V BUS =800V,V AC =400V RMS,額定相功率=50 kW,I PEAK =~180A,I RMS =~125A。

案例 1. 用 GaN 器件替換 Si

我們知道,由于 GaN 的低FOM和零反向恢復電荷 (Q rr ),開關頻率、磁性設計和開關損耗將顯著降低。我們還知道,Si MOSFET 具有 50 到 60nC 范圍內的典型反向恢復電荷,具體取決于它們的尺寸和特性。當 MOSFET 關斷時,體二極管中的 Q rr會產生損耗,這些損耗會增加整個系統的開關損耗。這些損耗與開關頻率成正比上升,使得 MOSFET 在許多應用中無法用于更高頻率。

案例 2. 用 SiC 器件替換 Si

與基于硅的 MOSFET 和 IGBT 相比,碳化硅 MOSFET 因其在兩電平、三相逆變器拓撲結構中的工作特性而受到 EV 系統開發商的關注。與 Si 器件相比,SiC 器件可以提高開關頻率,從而降低系統冷卻和濾波要求。在更高的頻率下,我們知道我們可以減少電感器、電容器和變壓器等元件的尺寸和重量。不幸的是,碳化硅 MOSFET 相對較新,隨著技術的成熟仍在經歷成長的痛苦。因此,眾所周知,大電流 SiC MOSFET 存在單芯片載流能力低和高溫劣化等問題。此外,SiC MOSFET 和 IGBT 需要特殊的柵極驅動和電路保護,

案例 3. 用 GaN/IGBT 混合替代硅

這種GaN/IGBT混合解決方案結合了不同功率半導體技術的優點,即IGBT的低成本和低傳導損耗以及GaN良好的開關性能,如圖3所示。

圖 3:結合不同功率半導體技術優勢的 GaN/IGBT T 型逆變器。

現在在不同負載條件下結合兩級和三級控制的操作規則也發生了變化。在部分負載(峰值80 a)下,逆變器以三電平模式運行,其中IGBT兩端的電壓僅為400V,為總線電壓的一半,從而減少IGBT中的損耗。在滿載時,逆變器切換到兩電平模式,其中中性箝位支路(S2和S3)被禁用,允許IGBT兩端的電壓上升到全母線電壓,即800V。

制定了此解決方案的操作規則后,讓我們回顧一下逆變器拓撲選擇。逆變器拓撲可以根據它們產生的輸出交流線電壓電平的數量進行分類(例如,兩電平、三電平)。在兩電平逆變器輸出中,電壓波形是通過使用具有兩個電壓電平的 PWM 產生的。這會導致逆變器的輸出電壓和電流波形失真,從而產生高水平的總諧波失真 (THD)。通常用于永磁 (PM) 牽引電機應用的標準兩電平、三相逆變器架構還需要一個龐大的直流鏈路電容器來吸收由 PWM 開關頻率產生的大紋波電流。

對于傳統的兩電平相腳拓撲,所有開關轉換都發生在更高的 V BUS電平上,并且 Si 器件的反向恢復損耗很高。根據經驗,我們可以說開關頻率越快,反向耗散的功率比例就越大;在大功率電路中,這成為一個限制因素。

三電平T型逆變器在光伏逆變器和工業電機驅動等應用中廣為人知。這里的區別在于在中性鉗位腿上采用了 GaN 器件。這種中性點鉗位 (NPC) 拓撲在大功率應用中很受歡迎,因為它比傳統的兩電平電壓源逆變器可以更好地降低諧波,并且可以采用相關的控制策略來最大限度地減少半導體損耗。通過在三相中實現 T 型,降低了輸出電壓的 THD,從而提高了系統的整體效率。

由于混合逆變器的 GaN HEMT 的零反向恢復和 IGBT 兩端的電壓應力減半,其導通損耗降低了 92%,其關斷損耗降低了 83%(與傳統的兩級別配置)。

圖 4:圖表顯示了 Eon(左)和 Eoff(右)的開關能量。

比較效率

針對所呈現的三種情況中的每一種情況,對 150 kW、800V 牽引逆變器的系統加權平均效率分析揭示了以下內容: – 對于情況 3,GaN 3L(三電平有源中性點鉗位架構),逆變器在大部分工作范圍內(低于 30% 的負載)高效運行,并使用 2L IGBT 來滿足峰值條件的需求,如表 2所示。逆變器的背對背 GaN 開關比 IGBT 貢獻更少的傳導負載,降低了電池消耗,并擴展了 90% 的任務范圍。

表 2:每個解決方案在整個任務配置文件周期內的能耗(功率損耗)加權平均值

混合解決方案的加權平均效率與 SiC 解決方案相似,與 IGBT 解決方案相比提高了接近 80%。由于采用了額定電流為逆變器最大電流輸出 30% 的 GaN HEMT,因此 BOM 成本明顯低于 SiC 解決方案,后者需要 100% 額定電流 SiC MOSFET 和 100% 額定電流 SiC 反并聯二極管。碳化硅為此應用提供了其他幾個好處,包括減少系統體積、重量和材料使用量(由于電感器、變壓器、電容器和散熱器更小)。

EV 推進系統需要緊湊、高效且具有成本效益的牽引逆變器。在比較牽引逆變器的半導體解決方案時,使用最先進的硅 IGBT 的標準解決方案可能會產生低成本的牽引逆變器。然而,當包括電池/續航里程成本時,這可能不一定達到車輛所需的尺寸、重量和效率。基于 SiC 的設計雖然表現出比 Si 解決方案更高的效率,但成本可能很高。

GaN/IGBT 混合 T 型配置提高了輕負載效率。由于 GaN HEMT 的零反向恢復和器件兩端的電壓應力減半,IGBT 的開關能量顯著降低。

作為操作規則的一部分,GaN 中線鉗位腿在滿載時被禁用,以避免使用全額定電流 GaN HEMT 來降低 BOM 成本。

根據實驗室測試,與傳統方案相比,混合T型配置的IGBT的開通損耗降低了92%,整個工作范圍內的關斷損耗降低了83%。

集成 GaN/IGBT 混合 T 型配置,結合不同功率半導體技術的優點(IGBT 的低成本和低導通損耗以及 GaN 的低損耗開關性能),表明在可用拓撲中,它提供了優化EV 逆變器的價格、性能和范圍解決方案。

作者:Juncheng (Lucas) Lu ,Peter Di Maso

審核編輯:郭婷

聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
  • 電動汽車
    +關注

    關注

    156

    文章

    12102

    瀏覽量

    231392
  • 半導體
    +關注

    關注

    334

    文章

    27421

    瀏覽量

    219168
  • 逆變器
    +關注

    關注

    284

    文章

    4726

    瀏覽量

    206947
收藏 人收藏

    評論

    相關推薦

    如何用一顆IGBT撬動電動汽車逆變器

    電動汽車逆變器用于控制汽車主電機為汽車運行提供動力,IGBT功率模塊是電動汽車逆變器的核心功率
    發表于 04-17 18:25 ?9517次閱讀
    如何用一顆IGBT撬動<b class='flag-5'>電動汽車</b><b class='flag-5'>逆變器</b>?

    IGBT電動汽車逆變器的應用

    IGBT模塊電動汽車中發揮著至關重要的作用,是電動汽車及充電樁等設備的核心技術部件。IGBT模塊占電動汽車成本將近10%,占充電樁成本約20%。
    發表于 09-22 11:11 ?2723次閱讀

    電動汽車優勢

    電動汽車在這方面有絕對的優勢。它在行駛 運行基本是寧靜的特別適合在需要降低噪聲污染的城市 道路行駛。 3.高效率 這是電動汽車能源利用方面最顯著的特點。城市
    發表于 03-13 18:29

    電動汽車

    的人力和物力進行電動汽車的研究、開發和使用。世界各國為了促進電動汽車的推廣,每兩年召開一次國際性電動汽車會議,聯合國也發出呼吁:未來25年
    發表于 05-14 10:50

    【技術干貨】氮化鎵IC如何改變電動汽車市場

    Canaccord Genuity預計,到2025年,電動汽車解決方案每臺汽車的半導體構成部分將增加50%或更多。本文將探討氮化鎵(GaN)電子
    發表于 07-19 16:30

    混合電動汽車電動汽車的功能電子化方案

    日益嚴格的能效及環保法規推動汽車功能電子化趨勢的不斷增強和混合電動汽車/電動汽車(HEV/EV)的日漸普及,這加大了對高能效和高性能的電源和功率半導體器件的需求。安森美半導體作為
    發表于 07-23 07:30

    電氣隔離電動汽車中有哪些應用

    電氣隔離電動汽車的應用
    發表于 02-04 08:01

    多重串聯型逆變器電動汽車的應用是什么?

    多重串聯型逆變器電動汽車的應用是什么?
    發表于 05-13 06:10

    優化電動汽車的結構性能

    優化電動汽車的結構性能以提高效率和安全性迅速增長的全球電動汽車(EV)市場預計到2027年將達到8028億美元。電池和高壓電子設備的驅動下,電動汽車的運行和維護成本往往低于傳統
    發表于 09-17 08:10

    物聯網技術電動汽車電控系統的作用

    關鍵角色的地方。基于物聯網的電池管理系統到目前為止,我們已經討論了物聯網和電動汽車的基礎知識。在這里,我們將學習 BMS 電動汽車的作用,以及通過將物聯網和人工智能集成到 BMS
    發表于 05-13 11:10

    多重串聯型逆變器電動汽車的應用

    多重串聯型逆變器電動汽車的應用 摘要:多重串聯型逆變器應用于電動汽車有諸
    發表于 07-15 08:26 ?935次閱讀
    多重串聯型<b class='flag-5'>逆變器</b><b class='flag-5'>在</b><b class='flag-5'>電動汽車</b><b class='flag-5'>中</b>的應用

    將氮化鎵逆變器首次成功應用于電動汽車系統

    日本一研究團隊宣布,他們利用半導體材料氮化鎵(GaN)研發的逆變器,已首次成功應用在電動汽車上,有望讓電動汽車節能20%以上。
    發表于 12-09 10:07 ?2100次閱讀

    碳化硅器件電動汽車的應用介紹

    碳化硅器件電動汽車的應用介紹說明。
    發表于 06-10 10:51 ?75次下載

    GaN和SiC電動汽車的應用

    設計人員正在尋求先進技術,從基于硅的解決方案轉向使用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 材料的功率半導體技術,從而在創新方面邁出下一步。他們尋求用于電動汽車 (EV) 的功率密度更高、效率更高的電路。
    的頭像 發表于 11-12 11:30 ?1705次閱讀
    <b class='flag-5'>GaN</b>和SiC<b class='flag-5'>在</b><b class='flag-5'>電動汽車</b><b class='flag-5'>中</b>的應用

    示波器探頭電動汽車EV的逆變器測試的應用

    電動汽車(EV)的逆變器測試,示波器探頭扮演著至關重要的角色。逆變器電動汽車動力系統的核心
    的頭像 發表于 06-21 10:26 ?420次閱讀
    主站蜘蛛池模板: 李老汉和小花的性生生活| 欧美一欧美一区二三区性| 乱轮黄色小说| 欧美不卡1卡2卡三卡老狼| 高清视频一区| 天使色| 日本黄色免费看| 456成人网| 欧美极品| 奇米影视7777| 午夜官网| 成人在线视频网址| 久久怡红院| 丁香花五月婷婷| 天天做天天爽| 国产1024一区二区你懂的| 欧美影院入口| 在线看免费视频| 亚洲成av人片在线观看无码| 中文字幕1页| 久久99国产精品久久99| 亚洲综合激情九月婷婷 | 黄 色 录像成 人播放免费99网| 黄色污网站在线观看| 中国又粗又大又爽的毛片| 欧美大片国产在线永久播放| 在线视频h| 国产精品久久久精品三级| 天堂影| 国产一区二区三区乱码| 天天舔日日干| 成人在线一区二区| 美女扒开尿口让男人桶| 亚洲日本视频在线观看| 亚洲天堂网站| 久久伊人男人的天堂网站| 午夜影院免费在线观看| 天天操天天干天天透| 色中色在线视频| 日韩一级黄色录像| 一二三区在线视频|