CN218102980U - 一种用于电动汽车的氮化镓基电容钳位型三电平逆变器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种用于电动汽车的氮化镓基电容钳位型三电平逆变器，涉及逆变器技术领域。本实用新型包括三相主回路，每相主回路包括4个氮化镓开关，第一氮化镓开关的漏极连接蓄电池组正极，第一氮化镓开关的源极连接第二氮化镓开关的漏极，第二氮化镓开关的源极连接第三氮化镓开关的漏极，第三氮化镓开关的源极连接第四氮化镓开关的漏极，第四氮化镓开关的源极连接蓄电池组负极，每个氮化镓开关的源极跟漏极之间串联一二极管，第一氮化镓开关的源极与第一氮化镓开关的源极之间串联一电容，每一个氮化镓开关的栅极用于接收控制信号；三相主回路中第二氮化镓开关的源极对应连接电动机的A、B、C三相。可以有效减少GaN开关器件，降低成本，而且控制灵活，易于扩展。
Description
技术领域
本实用新型涉及逆变器技术领域，具体是一种用于电动汽车的氮化镓基电容钳位型三电平逆变器。
背景技术
逆变器是电动汽车的核心部件之一，也就是电动汽车三电系统的电驱部分，主要功能是：1.把蓄电池组的直流电能转化为幅值、频率可调的交流电能，驱动电动机旋转让电动汽车行驶；2.电动汽车刹车制动时，控制电动机工作于回馈模式，把机械能转化为电能并存储于蓄电池组中。
以GaN为代表的第三代半导体材料具有宽禁带、高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特性，基于此制成的功率半导体器件突破了已有硅基半导体器件在耐压等级、工作温度、开关损耗和开关速度上的极限。将基于GaN的功率器件应用于电力电子变流器内，能够显著减少变流器的重量、体积和发热，提高功率密度和效率，因此将GaN器件用于电力电子变流器产品中，具有十分重要的意义。
在乘用车逆变器领域，主要还是以Si基半导体材料为主，由于Si基开关器件（IGBT、MOSFET等）开关频率低，开关损耗大，导致逆变器体积大、效率低，进而影响电动汽车的空间和续航水平，而这对乘用车来说至关重要。
GaN基开关器件开关频率高、开关损耗小，可以大大提高逆变器的功率密度和效率，提高电动汽车的续航。然而，目前GaN基材料的耐压等级和电流等级不高，限制了车用逆变器的功率等级，采用传统的两电平拓扑结构的逆变器无法适应越来越高的电池电压和越来越大的功率需求，三电平拓扑结构可以完美解决GaN基开关器件耐压不足的问题，在三电平拓扑中，每一个GaN芯片承受的VDS只有直流电压的一半，为GaN基开关器件用于600-800V电池电压扫清了障碍。
国内三电平逆变器领域，主要以NPC型三电平和T型三电平为主，缺点是开关器件多。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型提供一种用于电动汽车的氮化镓基电容钳位型三电平逆变器，用于电动汽车逆变器，可以有效减少GaN开关器件，降低成本，而且控制灵活，易于扩展。
本实用新型是以如下技术方案实现的：一种用于电动汽车的氮化镓基电容钳位型三电平逆变器，包括将蓄电池组的直流电能转化为幅值、频率可调的交流电能的三相主回路，每相主回路包括4个氮化镓开关，第一氮化镓开关的漏极连接蓄电池组正极，第一氮化镓开关的源极连接第二氮化镓开关的漏极，第二氮化镓开关的源极连接第三氮化镓开关的漏极，第三氮化镓开关的源极连接第四氮化镓开关的漏极，第四氮化镓开关的源极连接蓄电池组负极，每个氮化镓开关的源极跟漏极之间串联一二极管，第一氮化镓开关的源极与第一氮化镓开关的源极之间串联一电容，每一个氮化镓开关的栅极用于接收控制信号；三相主回路中第二氮化镓开关的源极对应连接电动机的A、B、C三相。
与现有技术相比，本实用新型有益效果：
1.体积小，GaN基开关器件的开关频率高，磁性元器件和钳位电容都可以选择小尺寸的，所以同等容量下GaN基逆变器体积小。
2.功率密度大，同等容量下GaN基逆变器体积小，利于车辆的优化布局。
3.电压等级高，目前市面上的GaN器件耐压低，采用三电平结构设计的逆变器，可用于高达800V的电池电压，非常有利于提高电动汽车的性能水平和续航能力。
4.成本低，采用电容钳位型三电平，相比二极管钳位型三电平可以少用一半的GaN器件，有效降低成本。
附图说明
图1是本实用新型电路图；
图2是OA状态下负载电流方向对钳位电容电压的影响示意图；
图3是OB状态下负载电流方向对钳位电容电压的影响示意图；
图4是电容电压偏离Udc/2时OA和OB的时间分配示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种用于电动汽车的氮化镓基电容钳位型三电平逆变器，包括将蓄电池组的直流电能转化为幅值、频率可调的交流电能的三相主回路，每相主回路包括4个氮化镓开关，第一氮化镓开关的漏极连接蓄电池组正极，第一氮化镓开关的源极连接第二氮化镓开关的漏极，第二氮化镓开关的源极连接第三氮化镓开关的漏极，第三氮化镓开关的源极连接第四氮化镓开关的漏极，第四氮化镓开关的源极连接蓄电池组负极，每个氮化镓开关的源极跟漏极之间串联一二极管，第一氮化镓开关的源极与第一氮化镓开关的源极之间串联一电容，每一个氮化镓开关的栅极用于接收控制信号；三相主回路中第二氮化镓开关的源极对应连接电动机的A、B、C三相。
以A相为例介绍本实用新型原理：
蓄电池组的电压为Udc，钳位电容C1、C2、C3的电压维持在Udc/2。
P状态：对于A相输出端口来说，氮化镓开关S1、S2开通，输出为高电平，输出电压为Udc；
N状态：氮化镓开关S3、S4开通，输出为低电平，输出电压为0；
OA状态：氮化镓开关S1、S3开通，输出为零电平，输出电压为Udc/2；
OB状态：氮化镓开关S2、S4开通，输出为零电平，输出电压为Udc/2。
相对于NPC型三电平和T型三电平来说，电容钳位型三电平每相有4个开关状态，其中P状态和N状态与NPC型三电平和T型三电平一样，主要不同在于零电平分为OA和OB两种状态，OA和OB的主要不同在于对钳位电容C1的电压影响相反，也正是通过调整OA和OB两种状态的分配时间来维持钳位电容电压稳定的。具体的为：
OA状态：S1、S3开通，当A相电流ia>0时，蓄电池通过S1和D3对电容C1进行充电；当A相电流ia<0时，电容C1通过S3和D1进行放电，如图2所示。
OB状态：S2、S4开通，当A相电流ia>0时，电容C1通过S2和D4进行放电；当A相电流ia<0时，电动机通过D2和S4对电容C1进行充电，如图3所示。
钳位电容电压平衡原理：
在实际应用中，实时采集钳位电容C1、C2、C3的电压UC1、UC2、UC3，和三相电流ia、ib、ic，以A相为例：
在三电平空间矢量中，以第1个扇区的第1个区域为例，八段式矢量次序为：ONN→OON→OOO→POO→POO→OOO→OON→ONN，对于A相来说8个状态分别是：O→O→O→P→P→O→O→O，考虑到OA和OB两种状态的话，8个状态可以为：OA→OA→OA→P→P→OB→OB→OB，如果电容电压UC1与直流电压Udc/2的差值在允许范围内，则OA和OB两种状态的持续时间相同；如果电容电压UC1与直流电压Udc/2的差值超出允许范围，则需要对OA和OB两种状态的持续时间进行调整，如图4所示：当UC1小于Udc/2时，增加OA状态的作用时间，相应的就减少OB状态的作用时间，相当于延长C1的充电时间，减少C1的放电时间，电容C1的电压UC1就会升高；当UC1大于Udc/2时，增加OB状态的作用时间，相应的就减少OA状态的作用时间，相当于减少C1的充电时间，延长C1的放电时间，电容C1的电压UC1就会降低，从而达到电容电压的稳定。
将GaN基电容钳位型三电平用于电动汽车逆变器，主要解决三个问题：1、目前大量使用的Si基逆变器体积大、损耗大、效率低的问题，用GaN基器件替代后可以提高电动汽车的续航能力，并改进其空间布局设计；2、目前Si基逆变器普遍采用两电平拓扑结构，而GaN基器件耐压低，两电平结构不适用于高电压大功率的方向，采用三电平结构可以解决；3、目前广泛应用的NPC型三电平和T型三电平逆变器使用的开关器件多，由于GaN目前成本较高，采用电容钳位型三电平拓扑结构可以降低逆变器的成本。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (1)
1.一种用于电动汽车的氮化镓基电容钳位型三电平逆变器，包括将蓄电池组的直流电能转化为幅值、频率可调的交流电能的三相主回路，其特征在于：每相主回路包括4个氮化镓开关，第一氮化镓开关的漏极连接蓄电池组正极，第一氮化镓开关的源极连接第二氮化镓开关的漏极，第二氮化镓开关的源极连接第三氮化镓开关的漏极，第三氮化镓开关的源极连接第四氮化镓开关的漏极，第四氮化镓开关的源极连接蓄电池组负极，每个氮化镓开关的源极跟漏极之间串联一二极管，第一氮化镓开关的源极与第一氮化镓开关的源极之间串联一电容，每一个氮化镓开关的栅极用于接收控制信号，三相主回路中第二氮化镓开关的源极对应连接电动机的A、B、C三相。
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