在EV应用中使用第4代SiC MOSFET的效果：装入牵引逆变器实施模拟行驶试验

时间： 2024-04-11 来源：ROHM（罗姆）官网

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本文将介绍牵引逆变器的基本工作和在EV中的评估系统（电机试验台的测试环境）。然后，我们将使用其测试结果，按照乘用车油耗测试方法WTLC实施模拟行驶仿真，并通过示例来了解使用第4代SiC MOSFET改善电耗的效果。

逆变电路的工作

随着机电一体化（电机、减速器、逆变器）进程加速，降低损耗在实现高电压、高输出、小型轻量逆变器中的重要性日益凸显。这是因为降低损耗与EV的电耗性能是息息相关的。

如图10所示，为了驱动动力总成系统中的电机，牵引逆变器会将电池中存储的直流电转换为三相交流电。逆变器由三个半桥结构（每个半桥是1个桥臂，共3个桥臂）组成。三相交流波形按照与电机转速同步的频率信号波（基准正弦波）设置，三角波（调制波）按照决定开关频率的载波频率设置。提供给电机的电压是通过在生成PWM信号的过程中改变三相交流电和三角波的电平来实现的。

电机试验台的测试环境

表2中列出了电机试验台以及供试逆变器中搭载的SiC器件的主要规格。供试逆变器由内置第4代SiC MOSFET裸芯片的二合一功率模块组成。

F图11为电机试验台的测试环境，图12为供试逆变器（DUT Inverter），图13为控制系统框图。通过供试逆变器的三相UVW动力线来驱动供试电机。供试电机与负载电机连接，负载电机根据车辆参数计算出的行驶阻力进行负载扭矩控制，可进行目标车辆参数的模拟行驶实验。关于行驶阻力，如图14和公式（15）～（18）所示，考虑到了空气阻力FAD、滚动阻力FRR、坡道阻力FRG、加速阻力FACC。

模拟行驶所用的国际标准WLTC模式油耗测试

图15所示的WLTC（Worldwide harmonized Light duty driving Test Cycle：全球统一轻型车辆测试循环）是乘用车等的尾气排放量和油耗测试方法（WLTP：Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure）中规定的车辆行驶测试循环。WLTP是由联合国欧洲经济委员会在2014年举办的第162届联合国世界车辆法规协调论坛（WP29）上被采用为全球统一汽车技术法规（GTR：Global Technical Regulation）的。该循环由低速、中速、高速和超高速（Low、Middle、High、Extra-High）四个部分组成，在日本，检测供试车辆的尾气排放量和油耗时不包括超高速（Extra-High）段的测试循环。

使用前述的电机试验台，输入基于WLTC测试循环的模拟行驶测试条件，在逆变器中分别使用了第4代SiC MOSFET和IGBT的两种情况下，进行了行驶电耗测试。

图16是针对C级EV的电耗测试结果。结果证明，如果用第4代SiC MOSFET取代传统的IGBT，可以改善WLTC测试循环各个速度段的电耗。与使用IGBT时相比，整体电耗改善约6%，市区模式下改善约10%。

作为参考，在图17中提供了逆变器效率MAP图（在NT曲线基础上增加了效率信息）。从这里的结果也可以看出，在市区行驶模式中经常出现的高扭矩和低转速范围内，效率显著提升。

下面我们举例来说明改善电耗可以给用户带来哪些效益。从“可以降低单位行驶里程的运行成本（电力成本）”和“可以使用电池容量更小的电池”两方面来考虑可能更易于理解。表3是在郊区模式下的推算的效益示例。与使用IGBT时相比，假设电耗改善5.5%，就意味着1万公里的行驶里程可以节省2,000日元，采用100kWh的电池可以节省5.5万日元（表3）。

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