提升轻型电动车性能(LVE)传动系统逆变器技术的比较分析

轻型电动车(LEV)在全球许多城市，尤其是在空气污染严重的地区，正变得越来越受欢迎。人们选择LEV作为传统汽油动力汽车的更环保、更有效的替代品。

随着更强大和高效的电动机、电池及充电基础设施的进步，LEV在日常使用中变得更加可行和可靠。分析师预测，LEVs市场在预测期间将经历10.6%的复合年增长率。市场价值预计将从2024年的982亿美元增长到2034年的2680亿美元。

LEV中的关键组件是传动系统逆变器，它能高效地将电池直流电转换为交流电以驱动电动机。本文基探讨了宽带隙(WBG)半导体，特别是碳化硅和氮化镓，与传统硅基设计相比，在提高LEV传动系统逆变器的效率和功率密度方面的潜力。

追求更高效率

对高性能LEV的不断追求需要更高效率、更高功率密度的逆变器。美国能源部设定了到2025年实现100 kW/L逆变器功率密度的雄心勃勃的目标，强调了颠覆性技术的必要性。尽管一些电动汽车制造商通过采用SiC在逆变器功率密度方面取得了显著进展，但大多数领先的原始设备制造商仍在努力解决15-20 kW/L范围内的逆变器问题。

与硅相比，WBG半导体具有优越的材料特性，使它们能够在更高的电压和温度下工作，同时降低开关和传导损耗。这意味着显著的效率提升和潜在的小型化，从而实现更密集的逆变器设计。

目前还没有具体的研究量化使用基于WBG的传动系统逆变器对LEVs的好处。本文中的研究旨在量化这些好处在LEV应用中的体现。

设计考虑

对于LEV，传统的六开关逆变器拓扑结构因其高可靠性、低维护、简单、成本效益和紧凑性而受到青睐。因此，升压转换器并不受欢迎，而空间矢量脉宽调制(SVPWM)通常因其高效的直流链路电压利用率和在牵引逆变器中减少电机电流/电压失真而使用。

对于直流链路滤波，电容的选择是一个关键方面。通常，薄膜和多层陶瓷电容器因其高电容密度和适合汽车应用而优于电解电容器。

由于热管理影响逆变器的效率和功率密度，对于半导体器件热通量高于500 W/cm²和WBG功率器件(其散热器接触面积减小)，有效的冷却系统，如液冷，是首选。

研究提供了详细的逆变器损耗和体积建模方法。基于这些方法，计算了效率和体积功率密度，后者包括一个体积利用率因子，以考虑包装的紧凑性。成本估算考虑了半导体、散热器、电容器、驱动器和印刷电路板制造的综合成本。

模拟和实验验证

PLECS工具已被用于开发详细的逆变器模拟模型，包括来自设备制造商的数据驱动热模型。针对10 kVA传动系统逆变器，使用先进的WBG(SiC/GaN)和硅基器件在三个直流链路电压水平(72 V、150 V和300 V)进行了模拟，如表1所示。模拟结果通过制造商提供的热模型获得的实验结果进行了验证。

表1：LEV逆变器设计采用的规格

在300 V直流链路电压下，SiC和硅基10 kVA传动系统逆变器的模拟结果在之前的文章中进行了描述。例如，图1报告了在150 V直流链路电压下，基于GaN的10 kVA传动系统逆变器的模拟结果。

图1：150V直流母线电压下基于 GaN 的 10kVA 传动系统逆变器的仿真结果

模拟结果显示，从硅转换到WBG器件(SiC或GaN)时，半导体损耗显著减少(约50%)。此外，增加直流链路电压有可能降低传导损耗，前提是提供兼容的电池组且电机能在较低电流下产生足够的扭矩。

原型开发和性能

为了将模型产生的理论性能与实验结果进行比较，建立了两个逆变器原型：一个采用在300 V直流链路电压下工作的SiC MOSFET模块，另一个采用在150 V直流链路电压下工作的GaN HEMT。

SiC MOSFET原型实现了98.75%的效率和超过40 kW/L的功率密度。GaN也显示出有希望的结果，预计150 V直流链路原型将提供98.9%的效率和超过45 kW/L的功率密度(图2)。这些结果巩固了WBG技术在实现LEV传动系统逆变器卓越效率和功率密度方面的潜力。

图2：基于 GaN 的原型

未来技术探索

以下是未来潜在发展的几种方向：

软开关技术：虽然研究侧重于硬开关拓扑，但探索软开关技术，如零电压开关或零电流开关，提供了进一步提高效率的机会。然而，在整个操作范围内实现完全软开关可能既不必要也不实际，需要一个在典型LEV驱动周期内最大化效率的最佳调制方案。

先进封装和集成：具有较低寄生效应和较高热导率的创新封装解决方案可以进一步提高逆变器性能。此外，将驱动电路和门驱动器集成到与功率器件相同的芯片上，可以实现更紧凑和高效的设计。

WBG材料开发：对GaN衬底和GaN HEMT的级联结构的持续研究有望实现更高的电压能力和更低的导通电阻，可能使操作在更高的直流链路电压下，以进一步提高效率。

系统级优化：优化整个LEV传动系统，包括逆变器、电机和电池组，可以带来显著的效率提升。这可能涉及协同设计逆变器和电机，以利用WBG器件的优势，并探索如提高电机运行速度等可能性。

成本降低策略：虽然WBG器件提供了显著的性能优势，但其初始成本可能高于硅。通过制造工艺和材料科学的进步探索成本降低策略，对于在成本敏感的LEV应用中更广泛采用至关重要。

所提出的评估结果表明，采用WBG器件在实现LEV传动系统逆变器显著更高的效率和功率密度方面具有重大优势，且成本增加最小。

通过利用WBG技术并探索上述途径，研究人员和工程师可以创造新一代高效、紧凑和强大的LEV逆变器，为更可持续和电气化的交通未来铺平道路。