日本電裝開(kāi)發(fā)出GaN 三電平汽車(chē)電驅方案

據日媒報道，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），主要用于驅動(dòng)使用的電動(dòng)汽車(chē)牽引電機（圖 1）。

據了解，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)施的項目“加速實(shí)現創(chuàng )新 CO? 減排材料的社會(huì )實(shí)施和傳播項目”。新開(kāi)發(fā)的高壓三電平逆變器是該項目努力的結果。

圖1 ：電裝橫向 GaN HEMT 電驅逆變器（左）、單相降壓 DC-DC 轉換器運行時(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） 的功率半導體的廣泛應用。

隨著(zhù)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）的功率半導體的廣泛應用。這些新材料的功率半導體具有顯著(zhù)的潛力，但簡(jiǎn)單地用它們取代現有的硅基功率半導體是無(wú)效的。根據設備的使用目的，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體有很大的潛力，但簡(jiǎn)單地用它們取代現有的硅基功率半導體是無(wú)效的。需要根據設備的使用目的，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)與日本電裝的這項成就將響應時(shí)代需求，擴大 GaN 器件的應用，并為車(chē)載電力電子技術(shù)的進(jìn)一步復雜化和多樣化做出貢獻。

名古屋大學(xué)和電裝開(kāi)發(fā)的三電平逆變器是一項有望應用于電動(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行高輸出電機。三電平逆變器與傳統的兩電平逆變器相比，具有以下顯著(zhù)優(yōu)勢：

○ 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，功率半導體以?xún)蓚€(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。

○ 使用低壓功率半導體：可以使用低壓功率半導體配置以更高電壓驅動(dòng)的逆變器。一般來(lái)說(shuō)，擊穿電壓越低，功率半導體的損耗越低，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更高的速度運行，其應用范圍將擴大，使用價(jià)值將增加。

○ 減少電機損耗：為電動(dòng)汽車(chē)提供動(dòng)力的交流電機設計為以理想的正弦交流功率輸入高效旋轉。在PWM控制中，雖然宏觀(guān)上會(huì )產(chǎn)生可以被視為正弦波的交流功率波形，但實(shí)際上每次功率半導體切換時(shí)，電流值都會(huì )細微增加或減少，導致電機中出現繞組渦流損耗、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）并抑制電機中的損耗。

三電平逆變器本身并不是一項新技術(shù)。迄今為止，它已被引入處理特別大功率的電力電子設備中，例如鐵路逆變器、工業(yè)應用中的大功率電機驅動(dòng)器以及數據中心中使用的不間斷電源系統（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，三相電路設計為輸出功率相當于 40 kW。

圖 2 ：GaN HEMT 逆變器主電路的換向電流路徑。

據悉，該團隊去掉了單相部分，在實(shí)際工作中施加了 800V 直流輸入的兩串聯(lián)平滑電容器的一側直接施加了 400 V 的電壓，通過(guò)操作 DC-DC 轉換器轉換器，確認了它在 13 kW 的輸出功率下表現出正常的開(kāi)關(guān)特性。如果轉換為 800V DC的三相交流輸出，則可以以相當于 40 kW 的功率驅動(dòng)電機。

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

圖 3 ：定子鐵芯鐵損的諧波頻率依賴(lài)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，電機總鐵損也可以降低 18.3%。

該團隊使用四個(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)在電機臺架上演示實(shí)際機器來(lái)確認其運行情況。

領(lǐng)導開(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?！?/span>