GaN器件在電動汽車逆變器中的應(yīng)用

氮化鎵 （GaN） 的價值負(fù)載波正在快速傳播。其最新的轉(zhuǎn)換是電動汽車 （EV） 逆變器。隨著過去幾年道路上電動汽車數(shù)量的快速增加，行業(yè)分析師預(yù)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(yù)計將上升至 1800天。這占全球電力的五 （5）% 。GaN 的相關(guān)提升在電動汽車的效率、便利的充電基礎(chǔ)設(shè)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(chǎn)品是電動汽車行業(yè)和生態(tài)系統(tǒng)變革的關(guān)鍵。

GaN 器件制造商在材料和工藝技術(shù)方面的快速進(jìn)步導(dǎo)致高壓 （800V+） 大功率應(yīng)用產(chǎn)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(qiáng)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(jié)構(gòu)來制造給定工作電壓范圍的 GaN 半導(dǎo)體器件。更小的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致器件具有更少的分布電容，可以在更高的開關(guān)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(tǒng)中，牽引逆變器將來自電動汽車電池的直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流，供電機(jī)使用以驅(qū)動車輛的推進(jìn)系統(tǒng)。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(xù)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(shí)現(xiàn)相同的續(xù)航里程，這兩者都將有助于提高替代汽車技術(shù)的可行性。

對于電動汽車，牽引逆變器中使用的半導(dǎo)體對效率、功率密度和冷卻要求有重大影響。當(dāng)今電動汽車中使用的三相交流電機(jī)的運(yùn)行電壓高達(dá) 1，000V，開關(guān)頻率高達(dá) 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(dǎo)體場效應(yīng)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(shù)突破，硅基 MOSFET 和 IGBT 將難以滿足下一代電動汽車更高的運(yùn)行要求。

這些限制源于硅半導(dǎo)體物理固有的特性，以及器件本身的結(jié)構(gòu)。大型 IGBT 和 MOSFET 難以在高頻下進(jìn)行開關(guān)，并且會因它們在 ON 和 OFF 狀態(tài)之間的緩慢轉(zhuǎn)換而遭受開關(guān)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(shè)備的固有開關(guān)損耗迅速超過這些增益。此外，這些設(shè)備的長開關(guān)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(xù)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(dǎo)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(yīng)用。有幾種很有前途的 WBG 半導(dǎo)體技術(shù)，其中 GaN 和碳化硅 （SiC） 是當(dāng)今最成熟和商用的。WBG 材料在其導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)通電阻）是等效 Si 基 MOSFET 的一半，從而使傳導(dǎo)損耗降低 50%。由于 GaN 功率晶體管可以產(chǎn)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(tǒng)，使設(shè)計人員能夠創(chuàng)建更簡單、更緊湊的產(chǎn)品。

GaN 和 SiC 技術(shù)在很大程度上是互補(bǔ)的，并將繼續(xù)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(yīng)用，而 SiC 更適合大約 1 到幾千伏的電源電壓。對于中低壓應(yīng)用（低于 1200V），GaN 的開關(guān)損耗在 650V 時至少比 SiC 低三倍。SiC 在 650V 下有一些產(chǎn)品可用性，但通常設(shè)計用于 1200V 或更高。

從系統(tǒng)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(tǒng)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(shí)現(xiàn)，同時實(shí)現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)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(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)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(yīng)用中的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。在電動汽車中，這些增加的效率直接轉(zhuǎn)化為更長的續(xù)航里程或使用較小電池的等效續(xù)航里程。

對于電動汽車和許多其他應(yīng)用，電動機(jī)設(shè)計的局限性通常將牽引逆變器的開關(guān)頻率限制為 10 kHz，因?yàn)楦唛_關(guān)頻率會產(chǎn)生更高的開關(guān)損耗，從而降低逆變器的效率。

但是，當(dāng)逆變器開關(guān)頻率通常只有 10 kHz 時，我們?yōu)槭裁匆P(guān)心開關(guān)損耗呢？答案是 EV 的標(biāo)稱任務(wù)概況。在 95% 的行駛時間內(nèi)，電動汽車的牽引逆變器在其滿額定負(fù)載的 30% 下運(yùn)行。在低負(fù)載時，逆變器的開關(guān)損耗將比傳導(dǎo)損耗占主導(dǎo)地位。牽引逆變器的典型任務(wù)概況如表 1 所示。

表 1：典型 EV 牽引逆變器的任務(wù)概況

讓我們更詳細(xì)地看一個示例，該示例比較了典型 EV 在其運(yùn)行模式范圍內(nèi)的系統(tǒng)效率。在此示例中，所討論的車輛具有采用脈寬調(diào)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(jī)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(shè)計，由IGBT和GaN解決方案組成

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

同樣，我們所有情況的逆變器規(guī)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(fù)電荷 （Q rr ），開關(guān)頻率、磁性設(shè)計和開關(guān)損耗將顯著降低。我們還知道，Si MOSFET 具有 50 到 60nC 范圍內(nèi)的典型反向恢復(fù)電荷，具體取決于它們的尺寸和特性。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時，體二極管中的 Q rr會產(chǎn)生損耗，這些損耗會增加整個系統(tǒng)的開關(guān)損耗。這些損耗與開關(guān)頻率成正比上升，使得 MOSFET 在許多應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的工作特性而受到 EV 系統(tǒng)開發(fā)商的關(guān)注。與 Si 器件相比，SiC 器件可以提高開關(guān)頻率，從而降低系統(tǒng)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(shù)的成熟仍在經(jīng)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(qū)動和電路保護(hù)，

案例 3. 用 GaN/IGBT 混合替代硅

這種GaN/IGBT混合解決方案結(jié)合了不同功率半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，即IGBT的低成本和低傳導(dǎo)損耗以及GaN良好的開關(guān)性能，如圖3所示。

圖 3：結(jié)合不同功率半導(dǎo)體技術(shù)優(yōu)勢的 GaN/IGBT T 型逆變器。

現(xiàn)在在不同負(fù)載條件下結(jié)合兩級和三級控制的操作規(guī)則也發(fā)生了變化。在部分負(fù)載（峰值80 a）下，逆變器以三電平模式運(yùn)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(guī)則后，讓我們回顧一下逆變器拓?fù)溥x擇。逆變器拓?fù)淇梢愿鶕?jù)它們產(chǎn)生的輸出交流線電壓電平的數(shù)量進(jìn)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(chǎn)生的。這會導(dǎo)致逆變器的輸出電壓和電流波形失真，從而產(chǎn)生高水平的總諧波失真 （THD）。通常用于永磁 （PM） 牽引電機(jī)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)兩電平、三相逆變器架構(gòu)還需要一個龐大的直流鏈路電容器來吸收由 PWM 開關(guān)頻率產(chǎn)生的大紋波電流。

對于傳統(tǒng)的兩電平相腳拓?fù)洌虚_關(guān)轉(zhuǎn)換都發(fā)生在更高的 V BUS電平上，并且 Si 器件的反向恢復(fù)損耗很高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，我們可以說開關(guān)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(yè)電機(jī)驅(qū)動等應(yīng)用中廣為人知。這里的區(qū)別在于在中性鉗位腿上采用了 GaN 器件。這種中性點(diǎn)鉗位 （NPC） 拓?fù)湓诖蠊β蕬?yīng)用中很受歡迎，因?yàn)樗葌鹘y(tǒng)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(guān)的控制策略來最大限度地減少半導(dǎo)體損耗。通過在三相中實(shí)現(xiàn) T 型，降低了輸出電壓的 THD，從而提高了系統(tǒng)的整體效率。

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

圖 4：圖表顯示了 Eon（左）和 Eoff（右）的開關(guān)能量。

比較效率

針對所呈現(xiàn)的三種情況中的每一種情況，對 150 kW、800V 牽引逆變器的系統(tǒng)加權(quán)平均效率分析揭示了以下內(nèi)容： – 對于情況 3，GaN 3L（三電平有源中性點(diǎn)鉗位架構(gòu)），逆變器在大部分工作范圍內(nèi)（低于 30% 的負(fù)載）高效運(yùn)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(guān)比 IGBT 貢獻(xiàn)更少的傳導(dǎo)負(fù)載，降低了電池消耗，并擴(kuò)展了 90% 的任務(wù)范圍。

表 2：每個解決方案在整個任務(wù)配置文件周期內(nèi)的能耗（功率損耗）加權(quán)平均值

混合解決方案的加權(quán)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(lián)二極管。碳化硅為此應(yīng)用提供了其他幾個好處，包括減少系統(tǒng)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?。?。

EV 推進(jìn)系統(tǒng)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(dǎo)體解決方案時，使用最先進(jìn)的硅 IGBT 的標(biāo)準(zhǔn)解決方案可能會產(chǎn)生低成本的牽引逆變器。然而，當(dāng)包括電池/續(xù)航里程成本時，這可能不一定達(dá)到車輛所需的尺寸、重量和效率?；?SiC 的設(shè)計雖然表現(xiàn)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(fù)載效率。由于 GaN HEMT 的零反向恢復(fù)和器件兩端的電壓應(yīng)力減半，IGBT 的開關(guān)能量顯著降低。

作為操作規(guī)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(jù)實(shí)驗(yàn)室測試，與傳統(tǒng)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(nèi)的關(guān)斷損耗降低了83%。

集成 GaN/IGBT 混合 T 型配置，結(jié)合不同功率半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（IGBT 的低成本和低導(dǎo)通損耗以及 GaN 的低損耗開關(guān)性能），表明在可用拓?fù)渲?，它提供了?yōu)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