輕型電動車(LEV)在全球許多城市，尤其是在空氣污染嚴重的地區，正變得越來越受歡迎。人們選擇LEV作為傳統汽油動力汽車的更環保、更有效的替代品。

隨著更強大和高效的電動機、電池及充電基礎設施的進步，LEV在日常使用中變得更加可行和可靠。分析師預測，LEVs市場在預測期間將經歷10.6%的復合年增長率。市場價值預計將從2024年的982億美元增長到2034年的2680億美元。

LEV中的關鍵組件是傳動系統逆變器，它能高效地將電池直流電轉換為交流電以驅動電動機。本文基探討了寬帶隙(WBG)半導體，特別是碳化硅和氮化鎵，與傳統硅基設計相比，在提高LEV傳動系統逆變器的效率和功率密度方面的潛力。

追求更高效率

對高性能LEV的不斷追求需要更高效率、更高功率密度的逆變器。美國能源部設定了到2025年實現100 kW/L逆變器功率密度的雄心勃勃的目標，強調了顛覆性技術的必要性。盡管一些電動汽車制造商通過采用SiC在逆變器功率密度方面取得了顯著進展，但大多數領先的原始設備制造商仍在努力解決15-20 kW/L范圍內的逆變器問題。

與硅相比，WBG半導體具有優越的材料特性，使它們能夠在更高的電壓和溫度下工作，同時降低開關和傳導損耗。這意味著顯著的效率提升和潛在的小型化，從而實現更密集的逆變器設計。

目前還沒有具體的研究量化使用基于WBG的傳動系統逆變器對LEVs的好處。本文中的研究旨在量化這些好處在LEV應用中的體現。

設計考慮

對于LEV，傳統的六開關逆變器拓撲結構因其高可靠性、低維護、簡單、成本效益和緊湊性而受到青睞。因此，升壓轉換器并不受歡迎，而空間矢量脈寬調制(SVPWM)通常因其高效的直流鏈路電壓利用率和在牽引逆變器中減少電機電流/電壓失真而使用。

對于直流鏈路濾波，電容的選擇是一個關鍵方面。通常，薄膜和多層陶瓷電容器因其高電容密度和適合汽車應用而優于電解電容器。

由于熱管理影響逆變器的效率和功率密度，對于半導體器件熱通量高于500 W/cm2和WBG功率器件(其散熱器接觸面積減小)，有效的冷卻系統，如液冷，是首選。

研究提供了詳細的逆變器損耗和體積建模方法。基于這些方法，計算了效率和體積功率密度，后者包括一個體積利用率因子，以考慮包裝的緊湊性。成本估算考慮了半導體、散熱器、電容器、驅動器和印刷電路板制造的綜合成本。

模擬和實驗驗證

PLECS工具已被用于開發詳細的逆變器模擬模型，包括來自設備制造商的數據驅動熱模型。針對10 kVA傳動系統逆變器，使用先進的WBG(SiC/GaN)和硅基器件在三個直流鏈路電壓水平(72 V、150 V和300 V)進行了模擬，如表1所示。模擬結果通過制造商提供的熱模型獲得的實驗結果進行了驗證。

在300 V直流鏈路電壓下，SiC和硅基10 kVA傳動系統逆變器的模擬結果在之前的文章中進行了描述。例如，圖1報告了在150 V直流鏈路電壓下，基于GaN的10 kVA傳動系統逆變器的模擬結果。

模擬結果顯示，從硅轉換到WBG器件(SiC或GaN)時，半導體損耗顯著減少(約50%)。此外，增加直流鏈路電壓有可能降低傳導損耗，前提是提供兼容的電池組且電機能在較低電流下產生足夠的扭矩。

原型開發和性能

為了將模型產生的理論性能與實驗結果進行比較，建立了兩個逆變器原型：一個采用在300 V直流鏈路電壓下工作的SiC MOSFET模塊，另一個采用在150 V直流鏈路電壓下工作的GaN HEMT。

SiC MOSFET原型實現了98.75%的效率和超過40 kW/L的功率密度。GaN也顯示出有希望的結果，預計150 V直流鏈路原型將提供98.9%的效率和超過45 kW/L的功率密度(圖2)。這些結果鞏固了WBG技術在實現LEV傳動系統逆變器卓越效率和功率密度方面的潛力。

未來技術探索

以下是未來潛在發展的幾種方向：

軟開關技術：雖然研究側重于硬開關拓撲，但探索軟開關技術，如零電壓開關或零電流開關，提供了進一步提高效率的機會。然而，在整個操作范圍內實現完全軟開關可能既不必要也不實際，需要一個在典型LEV驅動周期內最大化效率的最佳調制方案。

先進封裝和集成：具有較低寄生效應和較高熱導率的創新封裝解決方案可以進一步提高逆變器性能。此外，將驅動電路和門驅動器集成到與功率器件相同的芯片上，可以實現更緊湊和高效的設計。

WBG材料開發：對GaN襯底和GaN HEMT的級聯結構的持續研究有望實現更高的電壓能力和更低的導通電阻，可能使操作在更高的直流鏈路電壓下，以進一步提高效率。

系統級優化：優化整個LEV傳動系統，包括逆變器、電機和電池組，可以帶來顯著的效率提升。這可能涉及協同設計逆變器和電機，以利用WBG器件的優勢，并探索如提高電機運行速度等可能性。

成本降低策略：雖然WBG器件提供了顯著的性能優勢，但其初始成本可能高于硅。通過制造工藝和材料科學的進步探索成本降低策略，對于在成本敏感的LEV應用中更廣泛采用至關重要。

所提出的評估結果表明，采用WBG器件在實現LEV傳動系統逆變器顯著更高的效率和功率密度方面具有重大優勢，且成本增加最小。

通過利用WBG技術并探索上述途徑，研究人員和工程師可以創造新一代高效、緊湊和強大的LEV逆變器，為更可持續和電氣化的交通未來鋪平道路。