日本电装开发出GaN 三电平汽车电驱方案
据日媒报道，名古屋大学和日本电装公司利用横向 GaN HEMT，合作开发出了一种 800V 兼容逆变器（三相、三电平），主要用于驱动使用的电动汽车牵引电机（图 1）。
据了解，名古屋大学与松下控股、丰田合成、大阪大学和电装合作，参与了日本环境省自 2022 年以来实施的项目“加速实现创新 CO? 减排材料的社会实施和传播项目”。新开发的高压三电平逆变器是该项目努力的结果。
图1 ：电装横向 GaN HEMT 电驱逆变器（左）、单相降压 DC-DC 转换器运行时的开关波形（右）。
提高电动汽车和混合动力电动汽车（HEV）的价值。在汽车系统中引入更先进的电力电子技术的速度正在加快。其中，一个典型的例子是基于碳化硅 （SiC） 和氮化镓 （GaN） 的功率半导体的广泛应用。
随着电动汽车市场的不断发展，电力电子技术的引入速度正在加快，尤其是基于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的功率半导体的广泛应用。这些新材料的功率半导体具有显著的潜力，但简单地用它们取代现有的硅基功率半导体是无效的。根据设备的使用目的，需要优化电路技术、控制技术和外围元件以充分发挥其潜力。
然而，虽然基于新材料的功率半导体有很大的潜力，但简单地用它们取代现有的硅基功率半导体是无效的。需要根据设备的使用目的，优化电路技术、控制技术和外围元件以发挥GaN的潜力。
名古屋大学与日本电装的这项成就将响应时代需求，扩大 GaN 器件的应用，并为车载电力电子技术的进一步复杂化和多样化做出贡献。
名古屋大学和电装开发的三电平逆变器是一项有望应用于电动汽车的技术。这种技术以低损耗、低谐波和低失真交流电源高效运行高输出电机。三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比，具有以下显著优势：
○ 降低开关损耗和开关噪声：在三电平逆变器电路中，功率半导体以两个串联连接，施加到每个器件上的电压是两电平电路的1/2，从而减少了逆变器运行时的开关损耗和开关噪声。通过降低开关噪声，可以减小作为噪声抑制元件的LC滤波器的尺寸。
○ 使用低压功率半导体：可以使用低压功率半导体配置以更高电压驱动的逆变器。一般来说，击穿电压越低，功率半导体的损耗越低，开关速度往往越高。GaN器件比Si具有更高的耐压和更高的效率，并且可以比SiC更高的速度运行，其应用范围将扩大，使用价值将增加。
○ 减少电机损耗：为电动汽车提供动力的交流电机设计为以理想的正弦交流功率输入高效旋转。在PWM控制中，虽然宏观上会产生可以被视为正弦波的交流功率波形，但实际上每次功率半导体切换时，电流值都会细微增加或减少，导致电机中出现绕组涡流损耗、磁体涡流损耗和定子铁芯铁损。使用能够高频工作的GaN器件来提高载波频率（开关频率）并引入三个电平，可以减少总谐波失真（THD）并抑制电机中的损耗。
三电平逆变器本身并不是一项新技术。迄今为止，它已被引入处理特别大功率的电力电子设备中，例如铁路逆变器、工业应用中的大功率电机驱动器以及数据中心中使用的不间断电源系统（UPS）。这一成就为进一步促进 EV 逆变器领域的高效率、紧凑性和高可靠性指明了道路。
电动汽车用 800V 三相三电平逆变器使用开发的 GaN 器件，采用二极管中性点钳 （NPC） 型（图 2）。功率半导体采用水平 GaN HEMT，额定电压为 650V，额定电流为 60A。该电路由四个并联排列的 GaN HEMT 组成，形成一个单相电路，三相电路设计为输出功率相当于 40 kW。
图 2 ：GaN HEMT 逆变器主电路的换向电流路径。
据悉，该团队去掉了单相部分，在实际工作中施加了 800V 直流输入的两串联平滑电容器的一侧直接施加了 400 V 的电压，通过操作 DC-DC 转换器转换器，确认了它在 13 kW 的输出功率下表现出正常的开关特性。如果转换为 800V DC的三相交流输出，则可以以相当于 40 kW 的功率驱动电机。
此外，电磁场模拟用于验证三电平和两电平电机驱动期间的损耗，并评估这三个电平的应用效果（图 3）。当电路配置相同的 GaN HEMT 时，与常用领域 600 V DC、20 kHz 载波频率和 3000 rpm 的驱动条件进行比较，已证实电机的铁损可以减少 18.3%。高速低扭矩区域和低速高扭矩区域之间的电流值差异很大，电机中的铁损会波动。将来，将根据此分析结果建立最佳控制方法。
图 3 ：定子铁芯铁损的谐波频率依赖性。
三电平逆变器的 40kHz 分量的铁损已大大降低。因此，即使开关频率相同，总谐波失真 （THD） 几乎相同，与两电平逆变器相比，电机总铁损也可以降低 18.3%。
该团队使用四个并联耐压为 650 V 的 GaN 垂直 MOSFET 制作了输出功率为 10 kW 的三相 GaN 逆变器的原型，并通过在电机台架上演示实际机器来确认其运行情况。
领导开发这款逆变器的名古屋大学特聘教授盐崎浩司说：“在新开发的逆变器中，通过使用四个并联的功率半导体来增加电流量，我们正在开发一种大电流容量的垂直 GaN 器件，我们将用大电流的垂直 GaN 器件取代三电平逆变器。”
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