Применение широкозонных устройств в преобразователях

Привет всем, добро пожаловать в новый пост сегодня.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Обзор устройств с широкой запрещенной зоной

Ⅱ. Принцип работы устройств с широкой запрещенной зоной и практический пример

Ⅲ. Компоненты, используемые во время моделирования

Ⅳ. Анализ производительности системы

Ⅴ. Результаты симуляции

Ⅵ. Заключение

Автомобильная промышленность переживает революцию, поскольку электромобили (EV) быстро становятся популярным выбором среди потребителей, ищущих доступный и экологически чистый транспорт. Одним из важнейших аспектов электромобилей является их силовая электроника, которая отвечает за преобразование постоянного тока (DC) от аккумулятора в переменный ток (AC) для питания двигателя. Исполнение этой электроники, в частности преобразователя, оказывает существенное влияние на общую мощность электромобиля. В последние годы растет интерес к использованию устройств с широкой запрещенной зоной (WBG) в преобразователях электромобилей из-за их превосходных характеристик по сравнению с традиционными устройствами на основе кремния.

Традиционно в преобразователях электромобилей использовались кремниевые устройства, MOSFET и IGBT, из-за их зрелости и надежности. Однако эти устройства имеют ограничения по скорости переключения и удельной мощности, что может ограничить эффективность преобразователя. Устройства WBG, такие как транзисторы из карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN), обладают превосходными характеристиками, такими как более высокое напряжение пробоя, более высокая скорость переключения и более низкое сопротивление в открытом состоянии по сравнению с устройствами на основе кремния. Каскод GaN E-HEMT и траншейный SiC MOSFET — два таких устройства WBG, которые обещают дальнейшее повышение эффективности преобразователя.

Ⅰ. Обзор устройств с широкой запрещенной зоной

Использование GaN и SiC привлекло внимание как «следующее поколение полупроводниковых приборов». У них более широкий диапазон, чем у обычного Si, как показано на рисунке 1, который также отображает их картографические характеристики и поясняет, почему они известны как «полупроводники WBG». Для облегчения процесса включения устройства была разработана каскодная структура, включающая низковольтный Si MOSFET с GaN-HEMT. Эта технология была протестирована на двух коммерческих устройствах, что привело к повышению производительности и экономической эффективности по сравнению с кремниевыми транзисторами.

Рисунок 1. Полосы Si, SiC и GaN.

Исследователи рынка прогнозируют, что рынок силовых полупроводников ГВБ вырастет в 17 раз в ближайшие 10 лет. Это связано с растущим спросом на источники питания, гибридные и электромобили, фотоэлектрические инверторы и другие устоявшиеся приложения. Были оценены динамические возможности каскадных силовых устройств GaN на напряжение 650 В, показавшие большой потенциал для повышения производительности и эффективности преобразователей.

Ⅱ. Принцип работы устройств с широкой запрещенной зоной и практический пример

Во время эксперимента основным компонентом, используемым для обработки входных данных, был переключатель GaN E-HEMT. Интеграция входов была достигнута за счет использования каскодной конфигурации GaN-HEMT с нормально выключенным LV Si MOSFET и нормально включенным HV GaN-HEMT. Сопротивление открытия устройств суммируется, когда оба включены, но напряжение смещения сохраняется, когда затвор Si-FET выключен, до тех пор, пока оно не достигнет напряжения отсечки GaN-HEMT, которое выключает HEMT. Комбинированное устройство находится в нормально закрытом состоянии с порогом затвора Si MOSFET и напряжением блокировки, равным напряжению пробоя затвор-сток GaN-HEMT. Для этой конфигурации можно использовать соответствующий кремниевый МОП-транзистор с напряжением пробоя более 25 В и сопротивлением в открытом состоянии меньшим, чем сопротивление GaN-HEMT.

Программное моделирование PSIM было проведено для создания модели, которая включала в себя синхронный двигатель переменного тока мощностью 80 кВт, литий-ионную батарею мощностью 24 кВтч/360 В номинальной мощности и момент нагрузки 200 Н/м. На рисунке 2 показаны модели силовых агрегатов электромобилей, смоделированные в PSIM с использованием приведенных ниже формул:

Уравнение 1

Уравнение 2

Рисунок 2. Блок-схема предлагаемой системы.

Ⅲ. Компоненты, используемые во время моделирования

Имитационная модель состоит из нескольких компонентов, включая нагрузку с постоянным крутящим моментом и сцеплением, которое представляет нагрузку транспортного средства. Эта нагрузка не зависит от скорости, и любое отклонение от этого значения может вызвать нежелательные движения шин. В модели NLEV PSIM использовался внутренний блок PMSM для представления тягового двигателя. Благодаря своей высокой заметности этот тип двигателя может обеспечивать широкий диапазон ослабления поля, что делает его оптимальным выбором для электромобилей.

Преобразователь постоянного тока для электромобилей представляет собой двунаправленный привод, который размещается между высоковольтной аккумуляторной батареей и приводом двигателя. Он может работать как в двигательном (тяговом), так и в режиме рекуперативного торможения. Управление преобразователем постоянного тока использует метод ПИ-управления для переключения транзисторов преобразователя и регулировки сигналов зажигания в соответствии с режимом работы, будь то зарядка или разрядка аккумулятора. Он состоит из контроллера заряда, контроллера разряда и контроллера регенерации.

Наконец, в модели NLEV PSIM для тягового двигателя использовался трехфазный инвертор напряжения, который использует средства управления скоростью и DTC для задания крутящего момента и управления максимальным крутящим моментом на ампер. За пределами пороговой скорости двигатель работает в режиме управления ослаблением поля, и блок DTC соответствующим образом ограничивает задание крутящего момента.

Ⅳ. Анализ производительности системы

Модель силовой передачи оценивалась с использованием чистого кремния, GaN и SiC при различных частотах переключения. На частоте 50 кГц общие потери мощности переключателя в Ваттах для каскада GaN-HEMT составляют 183 Вт, что значительно ниже, чем у чистого Si MOSFET мощностью 1080 Вт. На высоких частотах общие потери GaN составляют всего 2,45% от преобразованной мощности по сравнению до 2,7% для чистого Si при 50 кГц. Было обнаружено, что каскад GaN-HEMT гораздо более эффективен, чем траншейный SiC, где потери мощности нагрузки для GaN и SiC составляют 0,457% и 0,675% соответственно на частоте 50 кГц.

Рисунок 3. Вклад потерь на переключение в ваттах для GaN и SiC на частоте 400 кГц.

На рисунке 3 показано распределение потерь переключения между различными источниками потерь на частоте 400 кГц для каскада GaN-HEMT и канала SiC. Разрыв между каскадом GaN-HEMT и канавкой SiC шире на низких частотах, где потери на переключение становятся менее доминирующими. Также обнаружено, что потери проводимости GaN меньше, чем у аналогичного траншейного МОП-транзистора SiC.

Ⅴ. Результаты симуляции

Были проведены испытания для оценки характеристик каскада GaN-HEMT и SiC ACCUFET с точки зрения более высокого КПД и более высокой частоты переключения. Лабораторно протестированная система показала, что GaN-переключатель может достигать стабильного КПД около 98,7% при частоте переключения 100 кГц, тогда как SiC ACCUFET может фиксировать тот же КПД при переключении только на частоте 40 кГц. Этот рекордный КПД GaN стабилен при различных процентах нагрузки переключателя, что демонстрирует превосходную эффективность каскада GaN-HEMT.

Рисунок 4. Время выключения и включения инвертора ZVS.

Результаты согласуются с результатами моделирования на рисунке 4, на котором показаны формы сигналов инверторной схемы. Формы сигналов показывают, что переключение при нулевом напряжении (ZVS) происходит как в моменты включения, так и в моменты выключения, что снижает общие потери мощности за счет устранения потерь переключения переключателей инвертора. Кроме того, снижение пульсаций напряжения/тока было достигнуто за счет использования фильтров DV/DT, методологии DTC и контура управления инверторным двигателем. Эти методы дополнительно улучшают производительность каскада GaN-HEMT и SiC ACCUFET за счет снижения потерь мощности и повышения общей эффективности.

Ⅵ. Заключение

Когда дело доходит до электромобилей, эффективность является ключевым фактором, который следует учитывать, а использование быстропереключающихся полупроводников GaN и SiC может значительно снизить потери мощности при переключении и обеспечить работу на высоких частотах. Путем экспериментов и моделирования было обнаружено, что общие потери переключения для каскада GaN E-HEMT составляют 2,45% на высоких частотах переключения, что ниже, чем 2,7% для траншеи SiC. Кроме того, запас эффективности между переключателями SiC и GaN оставался относительно постоянным на уровне 0,6–0,7% для всех протестированных случаев нормальной нагрузки.

Переключение устройств WBG на частоте 300 кГц позволяет снизить пульсации тока и напряжения, уменьшить количество пассивных элементов и увеличить объем магнитной цепи, что повышает удельную мощность и срок службы. Более того, более высокая частота переключения уменьшает занимаемую площадь и вес преобразователя на 30 %, что приводит к меньшему потреблению энергии и увеличению пробега.