用于汽車應(yīng)用的創(chuàng)新三級(jí)逆變器解決方案

由于需要遵守嚴(yán)格的排放法規(guī)并提高整體車輛效率的需要，汽車行業(yè)正迅速朝著漸進(jìn)的電氣化發(fā)展。在這一轉(zhuǎn)變中，三級(jí)逆變器已成為電力和混合推進(jìn)系統(tǒng)中的重要組成部分。這些逆變器具有比傳統(tǒng)兩級(jí)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，包括較低的諧波失真，減少開關(guān)損耗和更高的系統(tǒng)效率。

盡管三級(jí)逆變器有助于電動(dòng)車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的許多好處，但它們也引入了與系統(tǒng)成本和復(fù)雜性有關(guān)的挑戰(zhàn)。因此，要利用兩級(jí)和三級(jí)拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)的平衡方法至關(guān)重要。本文將重點(diǎn)介紹這種混合方法所提供的好處，該方法體現(xiàn)在單個(gè)功率模塊(EMPACK)中，能夠在管理成本和復(fù)雜性的同時(shí)提高效率。

隨著汽車推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展，以滿足對(duì)效率，環(huán)境保護(hù)和遵守監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的日益增長(zhǎng)的需求，電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)已成為創(chuàng)新的焦點(diǎn)。用于乘用車，商用車或卡車的電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)必須提高能源效率，以最大程度地利用電池，擴(kuò)展駕駛范圍并提高電池壽命。此外，實(shí)現(xiàn)更快的充電時(shí)間和提高功率分配是現(xiàn)代電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵考慮因素。這些系統(tǒng)有望在惡劣的環(huán)境條件下有效運(yùn)行。因此，逆變器，電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的核心成分，必須相應(yīng)地適應(yīng)。

逆變器在電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，多年來從硅碳化物碳化物電源半導(dǎo)體演變而來。 SIC MOSFET設(shè)備專門顯示出卓越的性能，與傳統(tǒng)IGBT相比，靜態(tài)損失減少和切換損失。這使得能夠提高效率和功率密度，并改善電動(dòng)機(jī)控制并減少能量損失，從而使基于SIC的逆變器成為高級(jí)電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的首選選擇。

電動(dòng)機(jī)的效率

三級(jí)逆變器由于能夠進(jìn)一步提高運(yùn)動(dòng)效率并擴(kuò)大車輛范圍而在汽車應(yīng)用中越來越流行。由三級(jí)切換拓?fù)洚a(chǎn)生的較低諧波失真會(huì)減少電動(dòng)機(jī)中的鐵損耗，這是傳動(dòng)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因素。

電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中的大多數(shù)損失源于各種因素，例如機(jī)械，銅和鐵核損失，總諧波失真(THD)對(duì)總體能量浪費(fèi)產(chǎn)生了顯著貢獻(xiàn)。

磁滯損失

磁滯損失是由鐵芯的重復(fù)磁化和反復(fù)消反應(yīng)引起的，因?yàn)殡娏髁鬟^電動(dòng)機(jī)繞組。該過程以熱的形式導(dǎo)致能量耗散。磁滯損失與電流的頻率和最大通量密度成正比，并且減輕它是提高運(yùn)動(dòng)效率的關(guān)鍵。

渦流損失

由于磁場(chǎng)的變化，在鐵芯內(nèi)誘導(dǎo)了渦流。這些電流會(huì)導(dǎo)致電阻加熱，從而進(jìn)一步降低電動(dòng)機(jī)的效率。用絕緣材料層壓鐵芯有助于最大程度地減少這些損失，從而使其成為改善運(yùn)動(dòng)性能的必要步驟。

thd

THD主要是由于諧波的存在，測(cè)量波形與其理想正弦形狀的偏差。在電動(dòng)機(jī)中，THD會(huì)導(dǎo)致?lián)p失增加，效率下降和電磁干擾。為了減輕THD，使用開關(guān)頻率和調(diào)制指數(shù)的優(yōu)化，使用了高級(jí)控制策略，例如預(yù)測(cè)控制或空間矢量脈沖寬度調(diào)制。

減少THD是三級(jí)逆變器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一，因?yàn)樗鼈兛梢韵拗浦C波畸變，從而提高電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的整體效率。

Empack三級(jí)電源模塊的設(shè)計(jì)

Semikron-Danfoss已開發(fā)了專門用于汽車應(yīng)用的Empack Power模塊，并結(jié)合了先進(jìn)的三級(jí)逆變器技術(shù)。這個(gè)最先進(jìn)的模塊提供了兩種變體：傳統(tǒng)的兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和現(xiàn)代的三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都共享相同的物理形狀。

與兩級(jí)設(shè)計(jì)中的兩個(gè)開關(guān)相比，三級(jí)拓?fù)?TNPC)稱為T型中性點(diǎn)(TNPC)，每半橋采用四個(gè)開關(guān)。這種配置允許減少開關(guān)損耗和提高功率效率。 TNPC比NPC的關(guān)鍵好處是，它不需要其他二極管，因此可以釋放空間以在同一模塊中摻入更多的半導(dǎo)體芯片。在此拓?fù)渲惺褂肧IC MOSFET可確保更高的效率和可靠性。

Empack模塊還結(jié)合了創(chuàng)新的包裝技術(shù)，例如Flex Foil Technology(圖1)，該技術(shù)取代了傳統(tǒng)的電線鍵合方法。撓曲線可以更好地路由電流，并增強(qiáng)模塊的機(jī)械和熱耐用性。此外，在熱堆棧中使用直接壓力的DIE(DPD)技術(shù)可減少熱界面材料的厚度，從而提高熱效率。

圖1：Empack模塊利用彈性層技術(shù)。

基于彎曲的包裝技術(shù)是用于復(fù)雜電路的理想解決方案，其中三個(gè)導(dǎo)電層(基板，彎曲線的頂部和底部)改善了電流分布。

模擬和結(jié)果

為了驗(yàn)證Empack三級(jí)功率模塊的優(yōu)勢(shì)，使用稱為Semisel的專有工具進(jìn)行了模擬，該工具估計(jì)了逆變器損失和半導(dǎo)體連接溫度。該工具模擬了在標(biāo)準(zhǔn)的全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試程序(WLTP)周期下，在兩級(jí)和三級(jí)配置中，在兩級(jí)和三級(jí)配置中模擬了1,200-V SIC MOSFET的行為。

仿真結(jié)果表明，三級(jí)逆變器顯著降低了開關(guān)損耗，與兩級(jí)配置相比，降低了80%。此外，總體逆變器效率提高了0.44%，三級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)達(dá)到99.34%。盡管看似很小，但這種效率的提高轉(zhuǎn)化為能源消耗的有意義的減少，尤其是在考慮隨著時(shí)間的推移的運(yùn)動(dòng)損失時(shí)。

結(jié)果還強(qiáng)調(diào)，根據(jù)駕駛條件的不同，鐵損失減少了62%至77%，這轉(zhuǎn)化為車輛運(yùn)行期間能源效率的顯著提高。

這項(xiàng)研究證明了三級(jí)逆變器技術(shù)的重大好處，尤其是在Empack Power模塊中實(shí)施時(shí)。該設(shè)計(jì)結(jié)合了先進(jìn)的包裝技術(shù)，例如Flex-Foil和DPD，以及三級(jí)TNPC拓?fù)?，可?shí)現(xiàn)較高的效率和較低的熱損耗。

提出的模擬證實(shí)，三級(jí)配置可顯著提高系統(tǒng)效率，從而降低了電動(dòng)機(jī)和逆變器內(nèi)部的損失。 Empack模塊在緊湊且具有成本效益的包裝中提供高效率的能力使其成為未來EV和混合車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的有吸引力的解決方案。

通過使用三級(jí)逆變器拓?fù)洌圃焐炭梢詳U(kuò)展車輛范圍，提高電池壽命并提高整體性能，同時(shí)最大程度地減少所有權(quán)總成本。隨著汽車行業(yè)繼續(xù)轉(zhuǎn)向電氣化，諸如Empack之類的創(chuàng)新解決方案將在塑造流動(dòng)性的未來中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。