利用碳化硅改善燃料電池汽車升壓轉(zhuǎn)換器效率的研究

以硅（Si）為主要材料的電力電子功率半導(dǎo)體器件是純電動汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池汽車驅(qū)動系統(tǒng)的重要部件，直接影響這些電動汽車的動力性、可靠性和成本等。目前，以碳化硅（SiC）為主要材料的電力電子功率半導(dǎo)體器件開始得到關(guān)注，其在耐壓等級、工作溫度、開關(guān)損耗和開關(guān)速度上的表現(xiàn)顯著優(yōu)于以Si為主要材料的電力電子功率半導(dǎo)體器件。為此，研究了將SiC應(yīng)用在燃料電池汽車升壓轉(zhuǎn)換器上對升壓轉(zhuǎn)換器效率的影響。

燃料電池汽車上燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生的電能必須經(jīng)過升壓轉(zhuǎn)換器升壓，升至650V以驅(qū)動電機(jī)。升壓轉(zhuǎn)換器中功率模塊的尺寸、損耗和轉(zhuǎn)換頻率等直接決定了升壓轉(zhuǎn)換器的性能。升壓轉(zhuǎn)換器的功率模塊通常包括Si標(biāo)準(zhǔn)二極管和Si肖特基二極管。使用SiC代替上述兩個部件的Si材料，形成SiC標(biāo)準(zhǔn)二極管和SiC肖特基二極管。由于SiC具有較小的寬帶間隙，因而SiC標(biāo)準(zhǔn)二極管和SiC肖特基二極管的尺寸較小，使其內(nèi)部電阻也隨之降低，而轉(zhuǎn)換的響應(yīng)速度則隨之提高，實(shí)現(xiàn)了升壓轉(zhuǎn)換器功率模塊尺寸和電能損耗的降低，以及轉(zhuǎn)換頻率的升高。在日本豐田汽車公司和日野汽車公司聯(lián)合生產(chǎn)的Oiden燃料電池汽車上，對SiC標(biāo)準(zhǔn)二極管和SiC肖特基二極管的性能進(jìn)行測試。測試結(jié)果顯示，與Si標(biāo)準(zhǔn)二極管和Si肖特基二極管相比，SiC標(biāo)準(zhǔn)二極管的電能損耗減少至少90%，SiC肖特基二極管的電能損耗減少將近70%，從而使升壓轉(zhuǎn)換器的效率改善了0.5%。

Toshikazu Sugiura et al.SAE 2016-01-1234.

編譯：陳丁躍