日本電裝開發出GaN 三電平汽車電驅方案

據日媒報道，名古屋大學和日本電裝公司利用橫向 GaN HEMT，合作開發出了一種 800V 兼容逆變器（三相、三電平），主要用于驅動使用的電動汽車牽引電機（圖 1）。

據了解，名古屋大學與松下控股、豐田合成、大阪大學和電裝合作，參與了日本環境省自 2022 年以來實施的項目“加速實現創新 CO? 減排材料的社會實施和傳播項目”。新開發的高壓三電平逆變器是該項目努力的結果。

圖1 ：電裝橫向 GaN HEMT 電驅逆變器（左）、單相降壓 DC-DC 轉換器運行時的開關波形（右）。

提高電動汽車和混合動力電動汽車（HEV）的價值。在汽車系統中引入更先進的電力電子技術的速度正在加快。其中，一個典型的例子是基于碳化硅 （SiC） 和氮化鎵 （GaN） 的功率半導體的廣泛應用。

隨著電動汽車市場的不斷發展，電力電子技術的引入速度正在加快，尤其是基于碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的功率半導體的廣泛應用。這些新材料的功率半導體具有顯著的潛力，但簡單地用它們取代現有的硅基功率半導體是無效的。根據設備的使用目的，需要優化電路技術、控制技術和外圍元件以充分發揮其潛力。

然而，雖然基于新材料的功率半導體有很大的潛力，但簡單地用它們取代現有的硅基功率半導體是無效的。需要根據設備的使用目的，優化電路技術、控制技術和外圍元件以發揮GaN的潛力。

名古屋大學與日本電裝的這項成就將響應時代需求，擴大 GaN 器件的應用，并為車載電力電子技術的進一步復雜化和多樣化做出貢獻。

名古屋大學和電裝開發的三電平逆變器是一項有望應用于電動汽車的技術。這種技術以低損耗、低諧波和低失真交流電源高效運行高輸出電機。三電平逆變器與傳統的兩電平逆變器相比，具有以下顯著優勢：

○ 降低開關損耗和開關噪聲：在三電平逆變器電路中，功率半導體以兩個串聯連接，施加到每個器件上的電壓是兩電平電路的1/2，從而減少了逆變器運行時的開關損耗和開關噪聲。通過降低開關噪聲，可以減小作為噪聲抑制元件的LC濾波器的尺寸。

○ 使用低壓功率半導體：可以使用低壓功率半導體配置以更高電壓驅動的逆變器。一般來說，擊穿電壓越低，功率半導體的損耗越低，開關速度往往越高。GaN器件比Si具有更高的耐壓和更高的效率，并且可以比SiC更高的速度運行，其應用范圍將擴大，使用價值將增加。

○ 減少電機損耗：為電動汽車提供動力的交流電機設計為以理想的正弦交流功率輸入高效旋轉。在PWM控制中，雖然宏觀上會產生可以被視為正弦波的交流功率波形，但實際上每次功率半導體切換時，電流值都會細微增加或減少，導致電機中出現繞組渦流損耗、磁體渦流損耗和定子鐵芯鐵損。使用能夠高頻工作的GaN器件來提高載波頻率（開關頻率）并引入三個電平，可以減少總諧波失真（THD）并抑制電機中的損耗。

三電平逆變器本身并不是一項新技術。迄今為止，它已被引入處理特別大功率的電力電子設備中，例如鐵路逆變器、工業應用中的大功率電機驅動器以及數據中心中使用的不間斷電源系統（UPS）。這一成就為進一步促進 EV 逆變器領域的高效率、緊湊性和高可靠性指明了道路。

電動汽車用 800V 三相三電平逆變器使用開發的 GaN 器件，采用二極管中性點鉗 （NPC） 型（圖 2）。功率半導體采用水平 GaN HEMT，額定電壓為 650V，額定電流為 60A。該電路由四個并聯排列的 GaN HEMT 組成，形成一個單相電路，三相電路設計為輸出功率相當于 40 kW。

圖 2 ：GaN HEMT 逆變器主電路的換向電流路徑。

據悉，該團隊去掉了單相部分，在實際工作中施加了 800V 直流輸入的兩串聯平滑電容器的一側直接施加了 400 V 的電壓，通過操作 DC-DC 轉換器轉換器，確認了它在 13 kW 的輸出功率下表現出正常的開關特性。如果轉換為 800V DC的三相交流輸出，則可以以相當于 40 kW 的功率驅動電機。

此外，電磁場模擬用于驗證三電平和兩電平電機驅動期間的損耗，并評估這三個電平的應用效果（圖 3）。當電路配置相同的 GaN HEMT 時，與常用領域 600 V DC、20 kHz 載波頻率和 3000 rpm 的驅動條件進行比較，已證實電機的鐵損可以減少 18.3%。高速低扭矩區域和低速高扭矩區域之間的電流值差異很大，電機中的鐵損會波動。將來，將根據此分析結果建立最佳控制方法。

圖 3 ：定子鐵芯鐵損的諧波頻率依賴性。

三電平逆變器的 40kHz 分量的鐵損已大大降低。因此，即使開關頻率相同，總諧波失真 （THD） 幾乎相同，與兩電平逆變器相比，電機總鐵損也可以降低 18.3%。

該團隊使用四個并聯耐壓為 650 V 的 GaN 垂直 MOSFET 制作了輸出功率為 10 kW 的三相 GaN 逆變器的原型，并通過在電機臺架上演示實際機器來確認其運行情況。

領導開發這款逆變器的名古屋大學特聘教授鹽崎浩司說：“在新開發的逆變器中，通過使用四個并聯的功率半導體來增加電流量，我們正在開發一種大電流容量的垂直 GaN 器件，我們將用大電流的垂直 GaN 器件取代三電平逆變器。”