GaN器件在电动汽车逆变器中的应用
氮化镓 （gan） 的价值负载波正在快速传播。其最新的转换是电动汽车 （ev） 逆变器。随着过去几年道路上电动汽车数量的快速增加，行业分析师预计到 2040 年将售出 5600 万辆新电动汽车。这将伴随着电力消耗的增加，预计将上升至 1800天。这占全球电力的五 （5）% 。gan 的相关提升在电动汽车的效率、便利的充电基础设施和更快的充电解决方案方面显而易见。更重要的是，体积更小、重量更轻的电子产品是电动汽车行业和生态系统变革的关键。
gan 器件制造商在材料和工艺技术方面的快速进步导致高压 （800v+） 大功率应用产品的性能和成本显着提高，例如电动汽车（ev、phev 和轻度混合动力车）。gan 的其他重要特性之一使其对电动汽车很有价值，是它的高临界电场强度 （~5 × 10 6 v cm），这使得 gan 晶体管的击穿电压比类似的硅晶体管高得多。方面。这种特性允许使用更小的晶体管结构来制造给定工作电压范围的 gan 半导体器件。更小的结构导致器件具有更少的分布电容，可以在更高的开关频率下工作。
没有比 ev 中的主逆变器更需要更高效率的例子了。在电动传动系统中，牵引逆变器将来自电动汽车电池的直流电流转换为交流电流，供电机使用以驱动车辆的推进系统。提高牵引逆变器的效率将能够：
在电池成本相同的情况下，续航里程更长、充电周期更少、电池寿命更长，或
使用更小、成本更低的电池来实现相同的续航里程，这两者都将有助于提高替代汽车技术的可行性。
对于电动汽车，牵引逆变器中使用的半导体对效率、功率密度和冷却要求有重大影响。当今电动汽车中使用的三相交流电机的运行电压高达 1，000v，开关频率高达 20 khz。这非常接近目前牵引逆变器中使用的硅基金属氧化物半导体场效应晶体管 （mosfet） 和绝缘栅双极晶体管 （igbt） 的操作限制。如果没有重大的技术突破，硅基 mosfet 和 igbt 将难以满足下一代电动汽车更高的运行要求。
这些限制源于硅半导体物理固有的特性，以及器件本身的结构。大型 igbt 和 mosfet 难以在高频下进行开关，并且会因它们在 on 和 off 状态之间的缓慢转换而遭受开关损耗。尽管逆变器在更高频率下变得更有效率，但随着工作频率的增加，设备的固有开关损耗迅速超过这些增益。此外，这些设备的长开关时间限制了逆变器的工作频率，超过该频率将无法工作。
图 2：在 ev 牵引逆变器中使用 gan 可以增加续航里程或降低电池成本。
宽带隙材料
使用称为宽带隙 （wbg） 半导体的替代材料可以超越这些限制，其特性更适合高功率、高频应用。有几种很有前途的 wbg 半导体技术，其中 gan 和碳化硅 （sic） 是当今最成熟和商用的。wbg 材料在其导带和价带之间具有较大的能量分离。例如，硅的 1.1ev 带隙值与 gan 的 3.4ev 带隙值之间的差异使它们能够在比硅基器件高得多的电压下工作。虽然这本身很重要，但 gan 还具有其他几个特性，使其成为逆变器和其他高功率应用的理想选择。
同样引人注目的是 gan 的电子迁移率，是 si 的 1，000 多倍。这种特性使 gan 器件每单位面积的 r ds（on）（导通电阻）是等效 si 基 mosfet 的一半，从而使传导损耗降低 50%。由于 gan 功率晶体管可以产生更少的废热，因此它们需要更小的散热器和更简单的热管理系统，使设计人员能够创建更简单、更紧凑的产品。
gan 和 sic 技术在很大程度上是互补的，并将继续共存。它们目前涵盖不同的电压范围，gan 器件最适用于几十到几百伏的应用，而 sic 更适合大约 1 到几千伏的电源电压。对于中低压应用（低于 1200v），gan 的开关损耗在 650v 时至少比 sic 低三倍。sic 在 650v 下有一些产品可用性，但通常设计用于 1200v 或更高。
从系统角度来看，gan 的价值来自于尺寸、重量和成本的降低，后者包括 bom 成本（其他系统组件的成本，如电容器、散热器和电感器的成本）、使用成本和冷却成本。例如，将电源中的 si 改为 gan 可以缩小变压器等磁性元件的尺寸。所有这一切都可以实现，同时实现更高的效率或更高的功率密度，或者两者兼而有之。
其他好处
除了其他优点外，gan 的栅极和输出电荷比等效的 si 器件低。这使基于 gan 的设计能够实现更快的开启时间和 压摆率，同时降低损耗。因此，基于 gan 的逆变器可降低大功率应用中的传导损耗和开关损耗。在电动汽车中，这些增加的效率直接转化为更长的续航里程或使用较小电池的等效续航里程。
对于电动汽车和许多其他应用，电动机设计的局限性通常将牵引逆变器的开关频率限制为 10 khz，因为高开关频率会产生更高的开关损耗，从而降低逆变器的效率。
但是，当逆变器开关频率通常只有 10 khz 时，我们为什么要关心开关损耗呢？答案是 ev 的标称任务概况。在 95% 的行驶时间内，电动汽车的牵引逆变器在其满额定负载的 30% 下运行。在低负载时，逆变器的开关损耗将比传导损耗占主导地位。牵引逆变器的典型任务概况如表 1 所示。
表 1：典型 ev 牵引逆变器的任务概况
让我们更详细地看一个示例，该示例比较了典型 ev 在其运行模式范围内的系统效率。在此示例中，所讨论的车辆具有采用脉宽调制 （pwm） 控制的 150 kw 三相逆变器（每相 50 kw）、输出电压为 500-800v 的电池和额定工作电压的电机400vac（相间）。我们的研究将检查三个用例：
用等效的 gan 组件替换逆变器的大功率硅器件
采用带有 sic mosfet 和 sic 二极管的全 sic 解决方案以降低损耗
采用t型混合设计，由igbt和gan解决方案组成
由于牵引逆变器在 90% 的时间内以低于其额定电流的 30% 运行，因此第三种情况旨在提高低负载（除“最高”速度以外的所有运行模式）下的传动系统效率。
同样，我们所有情况的逆变器规格为：v bus =800v，v ac =400v rms，额定相功率=50 kw，i peak =~180a，i rms =~125a。
案例 1. 用 gan 器件替换 si
我们知道，由于 gan 的低fom和零反向恢复电荷 （q rr ），开关频率、磁性设计和开关损耗将显着降低。我们还知道，si mosfet 具有 50 到 60nc 范围内的典型反向恢复电荷，具体取决于它们的尺寸和特性。当 mosfet 关断时，体二极管中的 q rr会产生损耗，这些损耗会增加整个系统的开关损耗。这些损耗与开关频率成正比上升，使得 mosfet 在许多应用中无法用于更高频率。
案例 2. 用 sic 器件替换 si
与基于硅的 mosfet 和 igbt 相比，碳化硅 mosfet 因其在两电平、三相逆变器拓扑结构中的工作特性而受到 ev 系统开发商的关注。与 si 器件相比，sic 器件可以提高开关频率，从而降低系统冷却和滤波要求。在更高的频率下，我们知道我们可以减少电感器、电容器和变压器等元件的尺寸和重量。不幸的是，碳化硅 mosfet 相对较新，随着技术的成熟仍在经历成长的痛苦。因此，众所周知，大电流 sic mosfet 存在单芯片载流能力低和高温劣化等问题。此外，sic mosfet 和 igbt 需要特殊的栅极驱动和电路保护，
案例 3. 用 gan/igbt 混合替代硅
这种gan/igbt混合解决方案结合了不同功率半导体技术的优点，即igbt的低成本和低传导损耗以及gan良好的开关性能，如图3所示。
图 3：结合不同功率半导体技术优势的 gan/igbt t 型逆变器。
现在在不同负载条件下结合两级和三级控制的操作规则也发生了变化。在部分负载（峰值80 a）下，逆变器以三电平模式运行，其中igbt两端的电压仅为400v，为总线电压的一半，从而减少igbt中的损耗。在满载时，逆变器切换到两电平模式，其中中性箝位支路（s2和s3）被禁用，允许igbt两端的电压上升到全母线电压，即800v。
制定了此解决方案的操作规则后，让我们回顾一下逆变器拓扑选择。逆变器拓扑可以根据它们产生的输出交流线电压电平的数量进行分类（例如，两电平、三电平）。在两电平逆变器输出中，电压波形是通过使用具有两个电压电平的 pwm 产生的。这会导致逆变器的输出电压和电流波形失真，从而产生高水平的总谐波失真 （thd）。通常用于永磁 （pm） 牵引电机应用的标准两电平、三相逆变器架构还需要一个庞大的直流链路电容器来吸收由 pwm 开关频率产生的大纹波电流。
对于传统的两电平相脚拓扑，所有开关转换都发生在更高的 v bus电平上，并且 si 器件的反向恢复损耗很高。根据经验，我们可以说开关频率越快，反向耗散的功率比例就越大；在大功率电路中，这成为一个限制因素。
三电平t型逆变器在光伏逆变器和工业电机驱动等应用中广为人知。这里的区别在于在中性钳位腿上采用了 gan 器件。这种中性点钳位 （npc） 拓扑在大功率应用中很受欢迎，因为它比传统的两电平电压源逆变器可以更好地降低谐波，并且可以采用相关的控制策略来最大限度地减少半导体损耗。通过在三相中实现 t 型，降低了输出电压的 thd，从而提高了系统的整体效率。
由于混合逆变器的 gan hemt 的零反向恢复和 igbt 两端的电压应力减半，其导通损耗降低了 92%，其关断损耗降低了 83%（与传统的两级别配置）。
图 4：图表显示了 eon（左）和 eoff（右）的开关能量。
比较效率
针对所呈现的三种情况中的每一种情况，对 150 kw、800v 牵引逆变器的系统加权平均效率分析揭示了以下内容： – 对于情况 3，gan 3l（三电平有源中性点钳位架构），逆变器在大部分工作范围内（低于 30% 的负载）高效运行，并使用 2l igbt 来满足峰值条件的需求，如表 2所示。逆变器的背对背 gan 开关比 igbt 贡献更少的传导负载，降低了电池消耗，并扩展了 90% 的任务范围。
表 2：每个解决方案在整个任务配置文件周期内的能耗（功率损耗）加权平均值
混合解决方案的加权平均效率与 sic 解决方案相似，与 igbt 解决方案相比提高了接近 80%。由于采用了额定电流为逆变器最大电流输出 30% 的 gan hemt，因此 bom 成本明显低于 sic 解决方案，后者需要 100% 额定电流 sic mosfet 和 100% 额定电流 sic 反并联二极管。碳化硅为此应用提供了其他几个好处，包括减少系统体积、重量和材料使用量（由于电感器、变压器、电容器和散热器更小）。
ev 推进系统需要紧凑、高效且具有成本效益的牵引逆变器。在比较牵引逆变器的半导体解决方案时，使用最先进的硅 igbt 的标准解决方案可能会产生低成本的牵引逆变器。然而，当包括电池/续航里程成本时，这可能不一定达到车辆所需的尺寸、重量和效率。基于 sic 的设计虽然表现出比 si 解决方案更高的效率，但成本可能很高。
gan/igbt 混合 t 型配置提高了轻负载效率。由于 gan hemt 的零反向恢复和器件两端的电压应力减半，igbt 的开关能量显着降低。
作为操作规则的一部分，gan 中线钳位腿在满载时被禁用，以避免使用全额定电流 gan hemt 来降低 bom 成本。
根据实验室测试，与传统方案相比，混合t型配置的igbt的开通损耗降低了92%，整个工作范围内的关断损耗降低了83%。
集成 gan/igbt 混合 t 型配置，结合不同功率半导体技术的优点（igbt 的低成本和低导通损耗以及 gan 的低损耗开关性能），表明在可用拓扑中，它提供了优化ev 逆变器的价格、性能和范围解决方案。
作者：juncheng （lucas） lu ，peter di maso
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gan 器件制造商在材料和工艺技术方面的快速进步导致高压 （800v+） 大功率应用产品的性能和成本显着提高，例如电动汽车（ev、phev 和轻度混合动力车）。gan 的其他重要特性之一使其对电动汽车很有价值，是它的高临界电场强度 （~5 × 10 6 v cm），这使得 gan 晶体管的击穿电压比类似的硅晶体管高得多。方面。这种特性允许使用更小的晶体管结构来制造给定工作电压范围的 gan 半导体器件。更小的结构导致器件具有更少的分布电容，可以在更高的开关频率下工作。
没有比 ev 中的主逆变器更需要更高效率的例子了。在电动传动系统中，牵引逆变器将来自电动汽车电池的直流电流转换为交流电流，供电机使用以驱动车辆的推进系统。提高牵引逆变器的效率将能够：
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使用更小、成本更低的电池来实现相同的续航里程，这两者都将有助于提高替代汽车技术的可行性。
对于电动汽车，牵引逆变器中使用的半导体对效率、功率密度和冷却要求有重大影响。当今电动汽车中使用的三相交流电机的运行电压高达 1，000v，开关频率高达 20 khz。这非常接近目前牵引逆变器中使用的硅基金属氧化物半导体场效应晶体管 （mosfet） 和绝缘栅双极晶体管 （igbt） 的操作限制。如果没有重大的技术突破，硅基 mosfet 和 igbt 将难以满足下一代电动汽车更高的运行要求。
这些限制源于硅半导体物理固有的特性，以及器件本身的结构。大型 igbt 和 mosfet 难以在高频下进行开关，并且会因它们在 on 和 off 状态之间的缓慢转换而遭受开关损耗。尽管逆变器在更高频率下变得更有效率，但随着工作频率的增加，设备的固有开关损耗迅速超过这些增益。此外，这些设备的长开关时间限制了逆变器的工作频率，超过该频率将无法工作。
图 2：在 ev 牵引逆变器中使用 gan 可以增加续航里程或降低电池成本。
宽带隙材料
使用称为宽带隙 （wbg） 半导体的替代材料可以超越这些限制，其特性更适合高功率、高频应用。有几种很有前途的 wbg 半导体技术，其中 gan 和碳化硅 （sic） 是当今最成熟和商用的。wbg 材料在其导带和价带之间具有较大的能量分离。例如，硅的 1.1ev 带隙值与 gan 的 3.4ev 带隙值之间的差异使它们能够在比硅基器件高得多的电压下工作。虽然这本身很重要，但 gan 还具有其他几个特性，使其成为逆变器和其他高功率应用的理想选择。
同样引人注目的是 gan 的电子迁移率，是 si 的 1，000 多倍。这种特性使 gan 器件每单位面积的 r ds（on）（导通电阻）是等效 si 基 mosfet 的一半，从而使传导损耗降低 50%。由于 gan 功率晶体管可以产生更少的废热，因此它们需要更小的散热器和更简单的热管理系统，使设计人员能够创建更简单、更紧凑的产品。
gan 和 sic 技术在很大程度上是互补的，并将继续共存。它们目前涵盖不同的电压范围，gan 器件最适用于几十到几百伏的应用，而 sic 更适合大约 1 到几千伏的电源电压。对于中低压应用（低于 1200v），gan 的开关损耗在 650v 时至少比 sic 低三倍。sic 在 650v 下有一些产品可用性，但通常设计用于 1200v 或更高。
从系统角度来看，gan 的价值来自于尺寸、重量和成本的降低，后者包括 bom 成本（其他系统组件的成本，如电容器、散热器和电感器的成本）、使用成本和冷却成本。例如，将电源中的 si 改为 gan 可以缩小变压器等磁性元件的尺寸。所有这一切都可以实现，同时实现更高的效率或更高的功率密度，或者两者兼而有之。
其他好处
除了其他优点外，gan 的栅极和输出电荷比等效的 si 器件低。这使基于 gan 的设计能够实现更快的开启时间和 压摆率，同时降低损耗。因此，基于 gan 的逆变器可降低大功率应用中的传导损耗和开关损耗。在电动汽车中，这些增加的效率直接转化为更长的续航里程或使用较小电池的等效续航里程。
对于电动汽车和许多其他应用，电动机设计的局限性通常将牵引逆变器的开关频率限制为 10 khz，因为高开关频率会产生更高的开关损耗，从而降低逆变器的效率。
但是，当逆变器开关频率通常只有 10 khz 时，我们为什么要关心开关损耗呢？答案是 ev 的标称任务概况。在 95% 的行驶时间内，电动汽车的牵引逆变器在其满额定负载的 30% 下运行。在低负载时，逆变器的开关损耗将比传导损耗占主导地位。牵引逆变器的典型任务概况如表 1 所示。
表 1：典型 ev 牵引逆变器的任务概况
让我们更详细地看一个示例，该示例比较了典型 ev 在其运行模式范围内的系统效率。在此示例中，所讨论的车辆具有采用脉宽调制 （pwm） 控制的 150 kw 三相逆变器（每相 50 kw）、输出电压为 500-800v 的电池和额定工作电压的电机400vac（相间）。我们的研究将检查三个用例：
用等效的 gan 组件替换逆变器的大功率硅器件
采用带有 sic mosfet 和 sic 二极管的全 sic 解决方案以降低损耗
采用t型混合设计，由igbt和gan解决方案组成
由于牵引逆变器在 90% 的时间内以低于其额定电流的 30% 运行，因此第三种情况旨在提高低负载（除“最高”速度以外的所有运行模式）下的传动系统效率。
同样，我们所有情况的逆变器规格为：v bus =800v，v ac =400v rms，额定相功率=50 kw，i peak =~180a，i rms =~125a。
案例 1. 用 gan 器件替换 si
我们知道，由于 gan 的低fom和零反向恢复电荷 （q rr ），开关频率、磁性设计和开关损耗将显着降低。我们还知道，si mosfet 具有 50 到 60nc 范围内的典型反向恢复电荷，具体取决于它们的尺寸和特性。当 mosfet 关断时，体二极管中的 q rr会产生损耗，这些损耗会增加整个系统的开关损耗。这些损耗与开关频率成正比上升，使得 mosfet 在许多应用中无法用于更高频率。
案例 2. 用 sic 器件替换 si
与基于硅的 mosfet 和 igbt 相比，碳化硅 mosfet 因其在两电平、三相逆变器拓扑结构中的工作特性而受到 ev 系统开发商的关注。与 si 器件相比，sic 器件可以提高开关频率，从而降低系统冷却和滤波要求。在更高的频率下，我们知道我们可以减少电感器、电容器和变压器等元件的尺寸和重量。不幸的是，碳化硅 mosfet 相对较新，随着技术的成熟仍在经历成长的痛苦。因此，众所周知，大电流 sic mosfet 存在单芯片载流能力低和高温劣化等问题。此外，sic mosfet 和 igbt 需要特殊的栅极驱动和电路保护，
案例 3. 用 gan/igbt 混合替代硅
这种gan/igbt混合解决方案结合了不同功率半导体技术的优点，即igbt的低成本和低传导损耗以及gan良好的开关性能，如图3所示。
图 3：结合不同功率半导体技术优势的 gan/igbt t 型逆变器。
现在在不同负载条件下结合两级和三级控制的操作规则也发生了变化。在部分负载（峰值80 a）下，逆变器以三电平模式运行，其中igbt两端的电压仅为400v，为总线电压的一半，从而减少igbt中的损耗。在满载时，逆变器切换到两电平模式，其中中性箝位支路（s2和s3）被禁用，允许igbt两端的电压上升到全母线电压，即800v。
制定了此解决方案的操作规则后，让我们回顾一下逆变器拓扑选择。逆变器拓扑可以根据它们产生的输出交流线电压电平的数量进行分类（例如，两电平、三电平）。在两电平逆变器输出中，电压波形是通过使用具有两个电压电平的 pwm 产生的。这会导致逆变器的输出电压和电流波形失真，从而产生高水平的总谐波失真 （thd）。通常用于永磁 （pm） 牵引电机应用的标准两电平、三相逆变器架构还需要一个庞大的直流链路电容器来吸收由 pwm 开关频率产生的大纹波电流。
对于传统的两电平相脚拓扑，所有开关转换都发生在更高的 v bus电平上，并且 si 器件的反向恢复损耗很高。根据经验，我们可以说开关频率越快，反向耗散的功率比例就越大；在大功率电路中，这成为一个限制因素。
三电平t型逆变器在光伏逆变器和工业电机驱动等应用中广为人知。这里的区别在于在中性钳位腿上采用了 gan 器件。这种中性点钳位 （npc） 拓扑在大功率应用中很受欢迎，因为它比传统的两电平电压源逆变器可以更好地降低谐波，并且可以采用相关的控制策略来最大限度地减少半导体损耗。通过在三相中实现 t 型，降低了输出电压的 thd，从而提高了系统的整体效率。
由于混合逆变器的 gan hemt 的零反向恢复和 igbt 两端的电压应力减半，其导通损耗降低了 92%，其关断损耗降低了 83%（与传统的两级别配置）。
图 4：图表显示了 eon（左）和 eoff（右）的开关能量。
比较效率
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ev 推进系统需要紧凑、高效且具有成本效益的牵引逆变器。在比较牵引逆变器的半导体解决方案时，使用最先进的硅 igbt 的标准解决方案可能会产生低成本的牵引逆变器。然而，当包括电池/续航里程成本时，这可能不一定达到车辆所需的尺寸、重量和效率。基于 sic 的设计虽然表现出比 si 解决方案更高的效率，但成本可能很高。
gan/igbt 混合 t 型配置提高了轻负载效率。由于 gan hemt 的零反向恢复和器件两端的电压应力减半，igbt 的开关能量显着降低。
作为操作规则的一部分，gan 中线钳位腿在满载时被禁用，以避免使用全额定电流 gan hemt 来降低 bom 成本。
根据实验室测试，与传统方案相比，混合t型配置的igbt的开通损耗降低了92%，整个工作范围内的关断损耗降低了83%。
集成 gan/igbt 混合 t 型配置，结合不同功率半导体技术的优点（igbt 的低成本和低导通损耗以及 gan 的低损耗开关性能），表明在可用拓扑中，它提供了优化ev 逆变器的价格、性能和范围解决方案。
作者：juncheng （lucas） lu ，peter di maso
比亚迪2018年营收超1300亿 2019年销量目标锁定为65万辆
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