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电动汽车驱动 宽禁带半导体 SiC器件 GaN器件 ★ 5.0

100 kW氮化镓牵引逆变器的系统性效率-密度协同优化:方法与集成

Systematic Efficiency-Density Co-Optimization of 100 kW GaN Traction Inverter: Methodology and Integration

作者 Mingrui Zou · Peng Sun · Zheng Zeng · Yulei Wang · Jiakun Gong · Yuxi Liang
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年7月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 宽禁带半导体 SiC器件 GaN器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 电动汽车 氮化镓牵引逆变器 效率密度协同优化 数学模型 实验验证
语言:

中文摘要

摘要:电动汽车牵引逆变器对高效率和高功率密度的追求与日俱增,这正加速包括碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)在内的宽禁带器件的应用。由于碳化硅牵引逆变器的效率 - 密度边界已接近极限,采用氮化镓器件的牵引逆变器因具有更低的功率损耗和更高的开关速度,被视为一种极具前景的解决方案。本文聚焦于电动汽车应用的氮化镓牵引逆变器,提出了一种兼顾效率和功率密度目标协同优化的设计方法。基于所建立的包括功率损耗、直流母线纹波和热阻等设计关注点的数学模型,确定了氮化镓逆变器的效率 - 密度设计域,并通过帕累托前沿分析在该设计域上确定了效率 - 密度的最优设计空间。基于协同优化结果,紧凑集成了一台100 kW / 400 V的氮化镓牵引逆变器样机,其中包含精心设计的关键部件,如氮化镓功率模块、直流母线电容和散热器。实验验证证实了所提出的协同优化方法的有效性,并证明了集成氮化镓逆变器的可行性,实现了62.1 kW/L的高功率密度和99.3%的峰值效率。

English Abstract

The increasing pursuit of high efficiency and power density in EV traction inverters is accelerating the deployment of the wide bandgap device, including silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN). As the efficiency-density boundary of the SiC traction inverter has approached its limitation, the traction inverter utilizing GaN devices, with lower power loss and higher switching speed, is considered as a promising solution. Focusing on the GaN traction inverter for EV applications, this article proposes a design methodology considering the co-optimization of the pursued efficiency and power density objectives. Based on the created mathematical models of design concerns, including power loss, dc-link ripple, and thermal resistance, the efficiency-density design domain of the GaN inverter is established, upon which the optimal design space of the efficiency-density is determined through Pareto frontier analysis. Based on the co-optimization results, a 100 kW / 400 V GaN traction inverter prototype is compactly integrated, incorporating meticulously designed key components, including the GaN power module, dc-link capacitor, and heat sink. Experimental validation confirms the effectiveness of the proposed co-optimization methodology and demonstrates the feasibility of the integrated GaN inverter, achieving the high power density 62.1 kW/L and peak efficiency 99.3%.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项GaN牵引逆变器的效率-功率密度协同优化技术具有显著的跨领域应用价值。虽然该研究聚焦于电动汽车领域,但其核心方法论与我们在光伏逆变器、储能变流器等产品线的技术演进方向高度契合。

该论文突破了传统SiC器件的效率-密度边界,通过GaN器件实现99.3%峰值效率和62.1 kW/L功率密度,这对阳光电源的组串式逆变器和储能PCS产品具有重要借鉴意义。特别是在分布式光伏和户用储能场景中,高功率密度可显著降低安装空间需求和物流成本,而极致效率则直接提升系统发电量和投资回报率。论文提出的多目标协同优化方法论——涵盖功率损耗、直流母线纹波、热阻建模的数学模型及帕累托前沿分析——可直接应用于我们新一代逆变器的设计流程中。

从技术成熟度评估,GaN器件在中低压应用(400V-1500V)已趋于成熟,但在光伏逆变器常用的1500V直流母线电压下,GaN器件的可靠性和成本仍需验证。技术挑战主要集中在:GaN器件的长期可靠性数据积累、高频电磁兼容设计、以及供应链成本控制。然而机遇同样明显:该技术可助力阳光电源在储能双向变流器、光储一体机等高频次充放电场景中建立差异化优势,特别是在电网侧储能对响应速度和效率要求极高的应用中。建议优先在功率等级100kW以下的户用储能和小型工商业储能产品中进行技术验证,逐步向更高功率等级拓展。