汽车行业正在经历一场革命，电动汽车迅速成为寻求经济实惠和环保交通的消费者的热门选择。电动汽车的一个关键方面是其电力电子设备，负责将电池的直流电（DC）转换为交流电（AC），为电机供电。这些电子器件，特别是转换器的执行，对电动汽车的整体输出有着重大影响。近年来，人们对在电动汽车转换器中使用宽带隙（WBG）器件越来越感兴趣，因为它们与传统的硅基器件相比具有更优的性能。

传统上，硅基器件MOSFET和IGBT由于其成熟性和可靠性而被用于电动汽车转换器。然而，这些器件在开关速度和功率密度方面具有限制，这会限制转换器的效率。WBG器件，如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）晶体管，与硅基器件相比，具有更高的击穿电压、更快的开关速度和更低的导通电阻等优异特性。GaN E-HEMT共源共栅和SiC沟槽MOSFET是两种这样的WBG器件，它们在进一步提高转换器的效率方面具有很大的前景。

一宽带隙器件综述

GaN和SiC作为“下一代半导体器件”的使用引起了人们的关注。如图1所示，它们比传统的Si具有更宽的带，这也显示了它们的映射特性，并阐明了它们被称为“WBG半导体”的原因。“已经开发了一种包含GaN HEMT的低电压Si MOSFET的共源共栅结构，以简化器件的导通过程。这项技术已经在两个商业器件上进行了测试，与硅基晶体管相比，性能和成本效益都有所提高。

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图1 Si、SiC和GaN的带。

市场研究人员预计，未来10年，WBG功率半导体市场将以17的速度增长。这是由于对电源、混合动力和电动汽车、光伏逆变器和其他既定应用的需求不断增长。已经评估了650-V共源共栅GaN功率器件的动态性能，显示出提高转换器性能和效率的巨大潜力。

二宽带隙器件的工作原理及实例研究

在实验期间，用于处理输入的主要部件是GaN E-HEMT开关。通过使用具有常关LV Si MOSFET和常开HV GaN HEMT的GaN-HEMT共源共栅配置来实现输入的集成。当两个器件都导通时，器件的导通电阻被加在一起，但当硅FET栅极被关断时，偏置电压是持续的，直到它达到GaN HEMT的夹断电压，这使HEMT关断。组合的器件通常是关断的，硅MOSFET的栅极阈值和等于GaN HEET栅极-漏极击穿电压的阻断电压。具有大于25V的击穿电压和小于GaN-HEMT电阻的导通电阻的合适的Si-MOSFET可以用于该配置。

进行PSIM软件模拟以创建一个模型，该模型包括一个80 kW的交流同步电机、一个额定功率为24 kWh/360 V的锂离子电池和200 N/m的负载扭矩。图2显示了使用以下公式在PSIM上模拟的电动汽车动力系统模型：

方程式1

方程式2

图2拟建系统框图。

三建模过程中使用的组件

仿真模型由几个部件组成，包括带有代表车辆负载的离合器的恒定扭矩负载。该载荷保持与速度无关，与该值的任何偏差都可能导致不希望的轮胎运动。NLEV PSIM模型中使用了内部PMSM块来表示牵引电机。由于其高显著性，这种类型的电机可以提供宽的磁场削弱范围，使其成为电动汽车应用的最佳选择。

电动汽车直流-直流转换器是一种双向驱动器，位于高压电池和电机驱动器之间。它可以在电动（牵引）和再生制动模式下运行。DC-DC转换器控制使用PI控制方法来切换转换器的晶体管，并根据操作模式调整点火信号，无论是对电池充电还是放电。它由充电控制器、放电控制器和再生控制器组成。

最后，NLEV PSIM模型为牵引电机采用了三相电压源逆变器，该逆变器利用速度和DTC控制进行扭矩参考和每安培最大扭矩控制。超过阈值速度后，电机在弱磁场控制下运行，DTC块限制扭矩参考一致性

六结论

在电动汽车方面，效率是一个需要考虑的关键因素，快速开关GaN和SiC半导体的使用可以显著降低开关功率损耗，并允许高频操作。通过实验和模拟，发现GaN E-HEMT共源共栅在高开关频率下的总开关损耗为2.45%，低于SiC沟槽的2.7%。此外，在所有测试的正常负载情况下，SiC和GaN开关之间的效率裕度保持相对恒定，为0.6%–0.7%。

在300kHz下切换WBG设备可以减少电流和电压纹波，减少无源元件和磁路体积，提高功率密度和里程数。此外，更高的开关频率将转换器的占地面积和重量减少了30%，从而减少了能源消耗和里程数。