GaN功率組件在4個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域表現(xiàn)相當(dāng)卓越：高溫工作、更高的擊穿電壓、低導(dǎo)通電阻及適合更高工作頻率的奈米級(jí)開(kāi)關(guān)速度。這些優(yōu)勢(shì)和GaN與SiC類(lèi)似，而它們的區(qū)別有兩點(diǎn)：LED和射頻晶體管一直使用GaN；許多Si工藝兼容GaN工藝，與SiC較高的基底成本相比，降低了晶圓成本及工藝成本。
由于早在2003年就解決了可靠性問(wèn)題，因此今天的技術(shù)成功讓第一個(gè)GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)組件進(jìn)行投產(chǎn)。這些都是常態(tài)導(dǎo)通(normally-on)組件，因此0V的柵極電壓將形成導(dǎo)通狀態(tài)，小于0V的任何電壓都將關(guān)斷組件。早期使用的是SiC基板(substrate)，一旦Si基板能與GaN完美結(jié)合，生產(chǎn)成本就能顯著降低。在2014年，一個(gè)新的級(jí)聯(lián)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)將常態(tài)導(dǎo)通組件變?yōu)槌?normally-off)組件。
自此以后，驅(qū)動(dòng)技術(shù)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，整合度越來(lái)越高，電源逆變器也有顯著進(jìn)步。GaN組件在電動(dòng)汽車(chē)的電池充電器中也有不凡表現(xiàn)，這些充電器由交流/直流轉(zhuǎn)換器加直流/直流轉(zhuǎn)換器組成。這種組合就是一種功率因子控制器(PFC)(圖2)。
圖2 典型的電動(dòng)汽車(chē)電源架構(gòu)
利用GaN，加上開(kāi)關(guān)速度更高的GaN HEMT，可以實(shí)現(xiàn)更小的被動(dòng)組件。增加的頻率透過(guò)較小的電感將功率架構(gòu)引向較低的漣波(ripple)電流，因此改善了功率因子，并得到體積更小、成本更低的電容。更低的漣波電流對(duì)電容的應(yīng)力也更小，從而提高其可靠性和壽命。
過(guò)去幾年來(lái)GaN的可靠性已經(jīng)被提高到一個(gè)很高的標(biāo)準(zhǔn)，這是GaN在汽車(chē)中使用的關(guān)鍵。
利用混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)效率降低溫室氣體排放
目前約72%的交通排放由行駛在道路上的汽車(chē)產(chǎn)生。改進(jìn)混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以提高其效率是降低排放的主要手段。一種方法是增強(qiáng)DC-link電壓控制架構(gòu)的效率，這意味著首先需要提高串聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換器效率。
DC-link通常連接三個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)：由三相整流器組成的初級(jí)電源；由雙主動(dòng)橋式(DAB)直流/直流轉(zhuǎn)換器組成的次級(jí)電源；由三相位逆變器組成的推進(jìn)負(fù)載(圖3)，它們與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)相關(guān)。
圖3 混合動(dòng)力汽車(chē)的傳動(dòng)系統(tǒng)框圖
在DC-link和電池電壓不相等的設(shè)計(jì)拓?fù)渲?，直?直流轉(zhuǎn)換器中間解決方案是必需的。有篇IEEE的論文《用于提高串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)中電源電路效率的電壓控制方法(Voltage Control for Enhanced Power Electronic Efficiency in Series Hybrid Electric Vehicles)》描述了研究不同架構(gòu)的許多方法以及用于各種DC-link電壓和直流/直流轉(zhuǎn)換器控制的方案。
以下將討論比例控制定律(pro-portional control law)，該定律用于控制動(dòng)態(tài)DC-link電壓以實(shí)現(xiàn)DAB直流/直流轉(zhuǎn)換器橋柵極開(kāi)關(guān)波形之間的相移。這種轉(zhuǎn)換器位于串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的DC-link和電池之間，如圖4所示。在這種情況下，控制器使直流/直流轉(zhuǎn)換器電能損耗及整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的損耗都變得更低。
圖4 控制原理圖中的混合動(dòng)力汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)互連圖
引擎(ICE)、連續(xù)可變變速箱(CVT)、永磁同步馬達(dá)(PMSG)或混合動(dòng)力汽車(chē)的初級(jí)電源、永磁同步馬達(dá)(PMSM)或混合動(dòng)力汽車(chē)的推進(jìn)負(fù)載都是圖中所示系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。
在這個(gè)模型中，柴油機(jī)是混合動(dòng)力汽車(chē)的主要?jiǎng)恿υ?，直流電池是次?jí)動(dòng)力源。管理控制系統(tǒng)(SCS)根據(jù)電池電量狀態(tài)(SOC)和馬達(dá)負(fù)載來(lái)控制這兩個(gè)動(dòng)力源提供的動(dòng)力比例。
事實(shí)上，在這種串聯(lián)型混合動(dòng)力汽車(chē)中，DC-link電壓將抑制條件施加于與單位調(diào)制指數(shù)對(duì)應(yīng)的PMSM和PMSG的理想工作區(qū)，這樣系統(tǒng)就能避免出現(xiàn)導(dǎo)致訊號(hào)失真并降低系統(tǒng)效率的過(guò)調(diào)狀態(tài)。將調(diào)制指數(shù)保持接近1，可以提高傳動(dòng)系統(tǒng)中電源電路的總效率，從而最大限度地提高逆變器和整流器的效率，而開(kāi)關(guān)過(guò)程是其效率損失的主要因素，因此降低開(kāi)關(guān)電壓可以提高效率。
這種能夠最大限度減少功率損失的持續(xù)永久零壓開(kāi)關(guān)(ZVS)機(jī)制最適合具有高混合因子(HF)的汽車(chē)，特別是在城市環(huán)境中?；旌弦蜃邮侵竵?lái)自電源的裝機(jī)功率與總裝機(jī)功率之比。這個(gè)混合因子會(huì)影響混合動(dòng)力汽車(chē)中的燃油消耗。
汽車(chē)逆變器
