在過去的幾年里，我們道路上的電動汽車 (EV) 的數量顯著增加，給設計人員帶來了嚴峻的挑戰，例如最大限度地提高 EV 效率、優化充電基礎設施和縮短充電時間。
在任何電動汽車中，牽引逆變器都起著至關重要的作用，它將來自 EV 電池的直流電流轉換為電機使用的交流電流，以驅動車輛的推進系統。
提高牽引逆變器的性能有幾個好處，包括：
- 在相同電池成本的情況下，續航里程更長、充電時間更短、電池壽命更長，或
- 使用更小、成本更低的電池來達到相同的續航里程。
電動汽車使用三相交流電機，其工作電壓高達 1 kV，開關頻率高達 20 kHz。對于目前用于牽引逆變器的硅基 MOSFET 和 IGBT，這些要求非常具有挑戰性，因為它們非常接近此類設備的理論極限。事實上，大功率 IGBT 和 MOSFET 不能承受高開關頻率，并且由于其在 ON 和 OFF 狀態之間的緩慢轉換而產生開關損耗。
通過使用適用于高功率和高頻應用的寬帶隙 (WBG) 半導體，可以克服這些限制。WBG 材料在其導帶和價帶之間具有很大的能量分離（帶隙）（比硅高三倍），使其能夠在更高的電壓下工作。此外，GaN 具有非常高的臨界電場強度，與同等尺寸的硅基晶體管相比，這使得 GaN MOSFET 能夠在更高的電壓下無故障地運行。反過來，這使得 GaN 晶體管能夠使用更小的架構制造，減少分布電容，并實現更高的開關頻率。
由于其較高的電子遷移率，GaN 晶體管實現了比等效的硅基 MOSFET 低得多的特定導通電阻，從而將傳導損耗減半。此外，GaN 器件產生的廢熱更少，從而改善了熱管理并有助于減少解決方案的占用空間。
由于 GaN 的柵極和輸出電荷低于同等的硅基器件，因此它可以提供更快的開啟時間和壓擺率，同時降低損耗。對于EV 牽引逆變器，這意味著可以減少導通和開關，從而使您可以行駛更長的距離或使用更小的電池。
如表 1 所示，根據標稱任務配置文件，典型的 EV 牽引逆變器在 95% 的行駛時間內在其滿額定負載的 30% 下運行。在這些條件下，開關損耗比傳導損耗占主導地位。
表 1：典型 EV 牽引逆變器的任務概況
如果我們想提高電動汽車牽引逆變器的效率，我們有三個選擇：
- 在特定條件下將逆變器的硅基功率器件替換為等效的 GaN 組件。與具有低品質因數和零反向恢復電荷的 GaN 器件不同，硅 MOSFET 具有不可忽略的反向恢復電荷，這取決于它們的尺寸和特性。當 MOSFET 關閉時，體二極管中的反向恢復電荷會產生損耗，這些損耗加起來就是總開關損耗。這些損耗與開關頻率的增加成正比，使得 MOSFET 不適用于許多高頻應用。
- 遷移到基于 SiC MOSFET 和 SiC 二極管的完整 SiC 解決方案，以降低損耗。與傳統的硅基功率器件相比，SiC MOSFET 可以在更高的開關頻率下工作，從而使您能夠減小電感器、電容器、變壓器的尺寸和重量以及系統冷卻。然而，大電流 SiC MOSFET 受到單片載流能力低和在較高溫度下退化等問題的影響。此外，SiC MOSFET 和 IGBT 都需要適當的柵極驅動和電路保護。
- 采用 T 型混合設計，由 IGBT 和 GaN 解決方案組成，提高了低負載下的傳動系統效率。該方案結合了 IGBT 的低成本和低導通損耗以及 GaN 的出色開關性能。部分負載時，逆變器工作在三電平模式，此時IGBT兩端的電壓為400V，從而降低了損耗。在滿載時，逆變器切換到兩電平模式，此時 IGBT 兩端的電壓上升到全總線電壓 (800V)。
應該注意的是，在兩電平逆變器中，輸出電壓是通過使用具有兩個電壓電平的 PWM 產生的。這會在輸出電壓和電流中產生高水平的總諧波失真 (THD)。為了克服這個問題，使用一個大容量的電容器來吸收由 PWM 開關頻率產生的紋波電流。
在三電平 T 型逆變器（如圖 1 所示）中，適用于光伏逆變器和工業電機驅動等應用，可在中性線鉗位腿上使用 GaN 器件。這種拓撲減少了逆變器輸出的總諧波失真，提高了系統的整體效率。與傳統的兩電平配置相比，T 型混合拓撲降低了 92% 的開通損耗和 83% 的關斷損耗。
圖 1：混合（GaN 和 IGBT）逆變器拓撲
上述三個選項的效率已針對 150kW、800V 逆變器進行了評估。在三電平架構中，GaN 器件使逆變器在大部分工作范圍內（負載 < 30%）都非常高效，而 IGBT 有助于滿足峰值期間的功率需求（見表 2）。
表 2：不同器件的加權平均功率損耗
混合解決方案的加權平均效率非常接近 SiC 解決方案，但相對于 IGBT 解決方案提供了 80% 的改進。由于該解決方案需要額定電流為逆變器最大電流輸出 30% 的 GaN HEMT，因此成本也明顯低于 SiC 解決方案，后者需要 100% 額定電流 SiC MOSFET 和 100% 額定電流 SiC 反并聯二極管。另一方面，由于電感器、變壓器、電容器和散熱器的尺寸更小，SiC 提供了額外的好處，例如減小了尺寸、重量和材料使用量。與基于硅的解決方案相比，基于 SiC 的設計的主要缺點是成本較高。
總而言之，混合 T 型牽引逆變器配置結合了 GaN 和 IGBT 功率半導體技術的優勢（IGBT的低成本和低導通損耗以及 GaN 的低損耗開關性能），提出了一種高效的拓撲結構，能夠滿足 EV 逆變器的成本、性能和范圍解決方案要求。