美國北卡羅萊納州立大學(North Carolina State University;NC State)的研究人員由於使用了寬能隙材料——即碳化矽(SiC),成功地使EV逆變器的轉換效率提高了三倍,他們在日前於美國康州密爾瓦基舉行的2016年IEEE能源轉換研討會暨展覽會(Energy Conversion Congress and Exposition;ECCE2016)上展示了一款足以證明這一成效的原型。

「相較於目前使用的矽基電源開關,寬能隙的電源開關提供了更高的溫度、更高的頻率以及更高的電壓運作能力與更低損耗,」NC State教授Iqbal Husain表示。

除了接近美國能源部的要求,NC State的寬能隙SiC逆變器還採用了更小型且更輕量的模組封裝,據稱這將更有助於提高燃料效率以及油電混合車與純電動車的續航力。

20160923 EV NT01P1 北卡羅萊納州立大學專為電動車開發的逆變器採用寬能隙的SiC半導體元件,大幅提高轉換效率與縮小尺寸,以期滿足合DoE設定的2020年能效目標。 (來源:North Carolina State University)

「效率、減少尺寸與重量是這款逆變器最重要的特點,」Husain說:「它完全以商用的現成元件而打造。只需透過一些元件級的開發,就能達到DoE的目標,這是我們或業界預計在不久的將來所能提供的。」

傳統的逆變器採用的是傳統矽半導體的窄能隙性,但NC State未來可再生能源分配與管理(FREEDM)系統中心的研究人員宣稱,他們所開發的寬能隙逆變器可達到99%的效率——較當今的傳統逆變器更高2%。他們還使用現成可用的元件,期望從專為逆變器設計的高度最佳化元件中取得更佳成果。

事實上,FREEDM實驗室早已投入高密度SiC元件的製造,他們希望這將使其得以儘早在2020年之前達到DoE的目標。研究人員們還致力讓今日的逆變器擺脫液冷系統, 因為寬能隙材料所產生的熱比窄能隙材料更低得多。研究人員目前打造的原型是55-Kw的機型,而空冷版本可能較適用於大約35kW的小型馬達——用於摩托車和小型混合動力車。該實驗室還致力於擴展其現成可用元件的機型至100-Kw版本,以期用於全尺寸的純電動車。

「熱管理是設計的一項關鍵,」Husain說:「必須將熱導引出來,電源開關以及其他元件才能更有效率地運作,而且也不至於因為熱問題而導致故障。」

有關該研究的細節都在本週舉行的ECCE上發表:針對新款逆變器的「利用SiC功率組實現平面式高功率密度EV/HEV牽引驅動器的設計方法」(Design Methodology for a Planarized High Power Density Traction Drive using SiC Power Modules)一文,以系統級解釋如何採用現成的SiC功率模組打造平面架構的高功率密度逆變器。

這項研究的資金來自PowerAmerica Institute at NC State、能源部的能效與可再生能源辦公室(Office of Energy Efficiency & Renewable Energy),以及國家科學基金會(National Science Foundation;NSF)。

除了Iqbal Husain,其他研究人員包括Dhrubo Rahman、Adam Morgan、Yang Xu、Rui Gao、Wensong Yu、Douglas Hopkins、Yang Xu、Harvey West以及Wensong Yu。

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編譯:Susan Hong

(參考原文:Wide-Bandgap Boosts EVs,by R. Colin Johnson)