R课堂 | 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

~使用新一代SiC MOSFET降低损耗实证~

・使用电机试验台的测试结果，按照油耗测试方法WTLC进行了模拟行驶仿真，确认了第4代SiC MOSFET对电耗的改善效果。

・WLTC测试循环的各个速度段的电耗均可得到改善，与使用IGBT时相比，整体电耗改善约6%，市区模式下改善约10%。

・给用户带来的效益包括可以降低单位行驶里程的运行成本（电力成本）以及可以使用电池容量更小的电池。

SiC功率元器件基础

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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

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。

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1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。

图1. 常见的逆变器电路结构和驱动信号

表1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。

表1. 电机实验台及供试逆变器主要规格

图2为电机试验台的测试环境，图3为供试逆变器（DUT Inverter），图4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。

图2.电机试验台的测试环境

图3. 供试逆变器(DU TInverter)

图4. 电机试验台控制系统框图

关于行驶阻力，如图5和公式（1）～（4）所示，考虑到了空气阻力F _AD 、滚动阻力F _RR 、坡道阻力F _RG 、加速阻力F _ACC 。

Cd：空气阻力系数

A：正面投影面积

ρ：干燥空气密度

μ：滚动阻力系数

m：车辆重量

Δm：旋转体的等效惯性质量

α：加速度  v：车速

g：重力加速度

图6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。

图6. WLTC(世界统一测试循环)概要

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7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8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。

图7. 电耗测试结果

图8. WLTC 油耗测试中的逆变器效率 MAP 图

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2）。

表2. 电耗改善与用户效益