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如何设计 SiC MOSFET 以提高电动汽车牵引逆变器的效率
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2022-11-24
李玉兰
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工程师面临着现代电动汽车 (EV) 的性能和续航里程之间的权衡。更快的加速和更高的巡航速度需要更频繁和更耗时的充电停止。或者，更远的射程是以更稳健的进步为代价的。为了增加续航里程，同时为驾驶员提供更高的性能，工程师需要设计传动系统，以确保将尽可能多的电池能量传输到从动轮。同样重要的是需要使传动系统足够小以适应车辆的限制。这些双重需求需要高效率和高能量密度的组件。工程师面临着现代电动汽车 (EV) 的性能和续航里程之间的权衡。更快的加速和更高的巡航速度需要更频繁和更耗时的充电停止。或者，更远的射程是以更稳健的进步为代价的。为了增加续航里程，同时为驾驶员提供更高的性能，工程师需要设计传动系统，以确保将尽可能多的电池能量传输到从动轮。同样重要的是需要使传动系统足够小以适应车辆的限制。这些双重需求需要高效率和高能量密度的组件。EV 传动系统的关键部件是三相电压源逆变器（或“牵引逆变器”），它将电池的直流电压转换为车辆电动机所需的交流电压。构建高效的牵引逆变器对于降低性能和范围之间的权衡至关重要，提高效率的关键途径之一是正确使用宽带隙 (WBG)、碳化硅 (SiC) 半导体器件。EV 传动系统的关键部件是三相电压源逆变器（或“牵引逆变器”），它将电池的直流电压转换为车辆电动机所需的交流电压。构建高效的牵引逆变器对于降低性能和范围之间的权衡至关重要，提高效率的关键途径之一是正确使用宽带隙 (WBG)、碳化硅 (SiC) 半导体器件。本文介绍了 EV 牵引逆变器的作用。然后解释了使用 SiC 功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 设计的单元如何产生比使用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的单元更高效的 EV 驱动系统。本文以基于 SiC MOSFET 的牵引逆变器为例，以及有关如何最大限度提高装置效率的设计技巧作为结尾。本文介绍了 EV 牵引逆变器的作用。然后解释了使用 SiC 功率金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 设计的单元如何产生比使用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的单元更高效的 EV 驱动系统。本文以基于 SiC MOSFET 的牵引逆变器为例，以及有关如何最大限度提高装置效率的设计技巧作为结尾。什么是牵引逆变器？什么是牵引逆变器？EV 的牵引逆变器将车辆高压 (HV) 电池提供的直流电流转换为电动机所需的交流电流，以产生移动车辆所需的扭矩。牵引逆变器的电气性能对车辆的加速度和续驶里程有重大影响。EV 的牵引逆变器将车辆高压 (HV) 电池提供的直流电流转换为电动机所需的交流电流，以产生移动车辆所需的扭矩。牵引逆变器的电气性能对车辆的加速度和续驶里程有重大影响。现代牵引逆变器由 400 伏或最近的 800 伏设计的高压电池系统驱动。对于 300 安培 (A) 或更大的牵引逆变器电流，由 800 伏电池系统供电的设备能够提供超过 200 千瓦 (kW) 的功率。随着功率的攀升，逆变器的尺寸已经缩小，从而显着提高了功率密度。现代牵引逆变器由 400 伏或最近的 800 伏设计的高压电池系统驱动。对于 300 安培 (A) 或更大的牵引逆变器电流，由 800 伏电池系统供电的设备能够提供超过 200 千瓦 (kW) 的功率。随着功率的攀升，逆变器的尺寸已经缩小，从而显着提高了功率密度。配备 400 伏电池系统的电动汽车需要牵引逆变器配备额定电压为 600 至 750 伏的功率半导体器件，而 800 伏车辆需要额定电压为 900 至 1200 伏的半导体器件。牵引逆变器中使用的功率组件还必须能够处理 30 秒 (s) 超过 500 A 的峰值交流电流和 1 毫秒 (ms) 的 1600 A 最大交流电流。此外，用于该设备的开关晶体管和栅极驱动器必须能够处理这些大负载，同时保持牵引逆变器的高效率（表 1）。配备 400 伏电池系统的电动汽车需要牵引逆变器配备额定电压为 600 至 750 伏的功率半导体器件，而 800 伏车辆需要额定电压为 900 至 1200 伏的半导体器件。牵引逆变器中使用的功率组件还必须能够处理 30 秒 (s) 超过 500 A 的峰值交流电流和 1 毫秒 (ms) 的 1600 A 最大交流电流。此外，用于该设备的开关晶体管和栅极驱动器必须能够处理这些大负载，同时保持牵引逆变器的高效率（表 1）。表 1：典型的 2021 年牵引逆变器要求；与 2009 年相比，能量密度增加了 250%。（图片来源：Steven Keeping）表 1：典型的 2021 年牵引逆变器要求；与 2009 年相比，能量密度增加了 250%。（图片来源：Steven Keeping）
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