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如何設(shè)計(jì) SiC MOSFET 以提高電動(dòng)汽車牽引逆變器的效率

2512951 2022-11-24 | pdf | 318.41KB | 次下載 | 免費(fèi)

資料介紹

工程師面臨著現(xiàn)代電動(dòng)汽車 (EV) 的性能和續(xù)航里程之間的權(quán)衡。更快的加速和更高的巡航速度需要更頻繁和更耗時(shí)的充電停止。或者，更遠(yuǎn)的射程是以更穩(wěn)健的進(jìn)步為代價(jià)的。為了增加續(xù)航里程，同時(shí)為駕駛員提供更高的性能，工程師需要設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)，以確保將盡可能多的電池能量傳輸?shù)綇膭?dòng)輪。同樣重要的是需要使傳動(dòng)系統(tǒng)足夠小以適應(yīng)車輛的限制。這些雙重需求需要高效率和高能量密度的組件。工程師面臨著現(xiàn)代電動(dòng)汽車 (EV) 的性能和續(xù)航里程之間的權(quán)衡。更快的加速和更高的巡航速度需要更頻繁和更耗時(shí)的充電停止。或者，更遠(yuǎn)的射程是以更穩(wěn)健的進(jìn)步為代價(jià)的。為了增加續(xù)航里程，同時(shí)為駕駛員提供更高的性能，工程師需要設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)，以確保將盡可能多的電池能量傳輸?shù)綇膭?dòng)輪。同樣重要的是需要使傳動(dòng)系統(tǒng)足夠小以適應(yīng)車輛的限制。這些雙重需求需要高效率和高能量密度的組件。EV 傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是三相電壓源逆變器（或“牽引逆變器”），它將電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為車輛電動(dòng)機(jī)所需的交流電壓。構(gòu)建高效的牽引逆變器對(duì)于降低性能和范圍之間的權(quán)衡至關(guān)重要，提高效率的關(guān)鍵途徑之一是正確使用寬帶隙 (WBG)、碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體器件。EV 傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是三相電壓源逆變器（或“牽引逆變器”），它將電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為車輛電動(dòng)機(jī)所需的交流電壓。構(gòu)建高效的牽引逆變器對(duì)于降低性能和范圍之間的權(quán)衡至關(guān)重要，提高效率的關(guān)鍵途徑之一是正確使用寬帶隙 (WBG)、碳化硅 (SiC) 半導(dǎo)體器件。本文介紹了 EV 牽引逆變器的作用。然后解釋了使用 SiC 功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 設(shè)計(jì)的單元如何產(chǎn)生比使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的單元更高效的 EV 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文以基于 SiC MOSFET 的牽引逆變器為例，以及有關(guān)如何最大限度提高裝置效率的設(shè)計(jì)技巧作為結(jié)尾。本文介紹了 EV 牽引逆變器的作用。然后解釋了使用 SiC 功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 設(shè)計(jì)的單元如何產(chǎn)生比使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的單元更高效的 EV 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。本文以基于 SiC MOSFET 的牽引逆變器為例，以及有關(guān)如何最大限度提高裝置效率的設(shè)計(jì)技巧作為結(jié)尾。什么是牽引逆變器？什么是牽引逆變器？EV 的牽引逆變器將車輛高壓 (HV) 電池提供的直流電流轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流電流，以產(chǎn)生移動(dòng)車輛所需的扭矩。牽引逆變器的電氣性能對(duì)車輛的加速度和續(xù)駛里程有重大影響。EV 的牽引逆變器將車輛高壓 (HV) 電池提供的直流電流轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流電流，以產(chǎn)生移動(dòng)車輛所需的扭矩。牽引逆變器的電氣性能對(duì)車輛的加速度和續(xù)駛里程有重大影響。現(xiàn)代牽引逆變器由 400 伏或最近的 800 伏設(shè)計(jì)的高壓電池系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于 300 安培 (A) 或更大的牽引逆變器電流，由 800 伏電池系統(tǒng)供電的設(shè)備能夠提供超過(guò) 200 千瓦 (kW) 的功率。隨著功率的攀升，逆變器的尺寸已經(jīng)縮小，從而顯著提高了功率密度。現(xiàn)代牽引逆變器由 400 伏或最近的 800 伏設(shè)計(jì)的高壓電池系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。對(duì)于 300 安培 (A) 或更大的牽引逆變器電流，由 800 伏電池系統(tǒng)供電的設(shè)備能夠提供超過(guò) 200 千瓦 (kW) 的功率。隨著功率的攀升，逆變器的尺寸已經(jīng)縮小，從而顯著提高了功率密度。配備 400 伏電池系統(tǒng)的電動(dòng)汽車需要牽引逆變器配備額定電壓為 600 至 750 伏的功率半導(dǎo)體器件，而 800 伏車輛需要額定電壓為 900 至 1200 伏的半導(dǎo)體器件。牽引逆變器中使用的功率組件還必須能夠處理 30 秒 (s) 超過(guò) 500 A 的峰值交流電流和 1 毫秒 (ms) 的 1600 A 最大交流電流。此外，用于該設(shè)備的開(kāi)關(guān)晶體管和柵極驅(qū)動(dòng)器必須能夠處理這些大負(fù)載，同時(shí)保持牽引逆變器的高效率（表 1）。配備 400 伏電池系統(tǒng)的電動(dòng)汽車需要牽引逆變器配備額定電壓為 600 至 750 伏的功率半導(dǎo)體器件，而 800 伏車輛需要額定電壓為 900 至 1200 伏的半導(dǎo)體器件。牽引逆變器中使用的功率組件還必須能夠處理 30 秒 (s) 超過(guò) 500 A 的峰值交流電流和 1 毫秒 (ms) 的 1600 A 最大交流電流。此外，用于該設(shè)備的開(kāi)關(guān)晶體管和柵極驅(qū)動(dòng)器必須能夠處理這些大負(fù)載，同時(shí)保持牽引逆變器的高效率（表 1）。表 1：典型的 2021 年?duì)恳孀兤饕螅?/font>與 2009 年相比，能量密度增加了 250%。（圖片來(lái)源：Steven Keeping）表 1：典型的 2021 年?duì)恳孀兤饕螅?/font>與 2009 年相比，能量密度增加了 250%。（圖片來(lái)源：Steven Keeping）