【上海电力电子展】氮化镓IC如何改变电动汽车市场

上海国际电力元件、可再生能源管理展览会将于2020年7月1-3日在上海世博展览馆隆重举行，邀您关注今日上海电力电子展新资讯：

       随着全球能源结构向低碳能源和节能运输转移，节能汽车产业面临着挑战。如今，整个电动汽车(EV)市场的增长率已经超过传统内燃机(ICE)汽车市场增长率的10倍。预计到2040年，电动汽车市场将拥有35%的新车销量份额，对于一个开始批量生产不到10年的市场而言，这样的新车销售份额是引人注目的。

       随着整个汽车行业从基于机械系统向数字系统转变，电池、电子系统及系统组件创新相结合的经济规模，对电动汽车的增长起到了至关重要的作用。电动汽车制造商和设计人员青睐于数字设计，而Canaccord Genuity预计，到2025年，电动汽车解决方案中每台汽车的半导体构成部分将增加50%或更多。

       本文将探讨氮化镓(GaN)电子器件及到碳化硅(SiC)，在不增加汽车成本的条件下，如何提高电动汽车的功率输出和能效。

       电动汽车行业鼓励创新电气系统的设计和开发，以取代以往的机械系统，逻辑上，这些机械系统需要电子组件，包括众多半导体器件。鉴于先进的电池管理技术，还将有更多的半导体器件不断涌现。

       上述系统通常依靠由12V电池供电的电路中的中低压硅(Si)mosFET(≤150V)。目前业界正在用更高电压的电池(24V和/或48V)来替代12V电池，以适应更高的电力需求，而不增加电线线径及布线成本。该替换过程同时也减少了铜线的重量，提高了驱动效率。

       到目前为止，驱动轮电气化还要求汽车拥有第二个250V-450V高压(HV)电池以及配套电子设备。突破成本效益与传统内燃机汽车相比，这一点更为明显。对于电动汽车而言，每一点重量都很重要。重量过高会降低产品使用寿命和消费者体验质量。而且与任何产品一样，成本控制仍然是重中之重。即使设计中增加了新功能，整体系统成本也必须顺应市场对价格的压力。

       所有这些新系统的推出大大增加了半导体和其他电子产品的数量以及所需的电池功率。理论上，这意味着更多的重量和更高的成本。一般而言，随着总线电压的增加，硅晶体管开关的成本会更高，这与汽车电气化的要求是相反的。此外，一些新的车载系统的性能需要超多数量的硅器件，从而增加了系统规模、重量和成本。

       实质上，新型电动汽车系统难以支持HV Si MOSFET、IGBT和超级结等现有半导体技术。相反，该行业正在转向功能强大的宽带隙(WBG)技术，包括碳化硅(SiC)和硅上氮化镓(GaN-on-Si)。这两种突破性技术都在电动汽车市场中占有一席之地。

       与Si IGBT相比，SiC提供更高的阻断电压、更高的工作温度和更高的开关速度。这些功能对于牵引逆变器来说是最佳的，因为它们需要间歇地将大量能量传输回电池。与此同时，硅上氮化镓开关为从低kW到10kW宽范围的供电系统带来了益处，即交流到直流板载充电器(OBC)、直流到直流辅助功率模块(APM)、加热和冷却单元等。

       采购和品质保证演变汽车行业向汽车电气化的转变不仅改变了所用技术的类型，而且对汽车供应商进行了重新定义，将这些系统提供给汽车行业对开关式电源(SMPS)原始设计制造商(ODM)来说，帮助他们进行了简单且合乎逻辑的市场拓展，这些制造商也很渴望填补汽车市场不断扩大的需求缺口。事实上，这种新的采购理念是大势所趋。汽车行业受到高度监管，需要采购的元件能满足汽车电子委员会(AEC)行业标准。

       对于氮化镓来说，在更关键的电子子系统之一，符合AEC标准的器件已经存在，即电源开关器件和栅极驱动器对。

       高压氮化镓电源在电源行业有些独特：如前所述，氮化镓器件以射频速度开关。比现有的电力电子开关速度快得多。鉴于此，具有高共模瞬变抑制(CMTI)的高速栅极驱动器对优化Transphorm GaN FET的性能至关重要。

       氮化镓确保适应未来变化氮化镓材料的能特性和无损耗处理高电压操作的能力，为设计人员在将来设计电动汽车时提供了决定性优势，这包括更低的开关损耗、更快的开关速度、更高的功率密度、更出色的热预算，并进一步降低重量和成本。除了电动汽车市场之外，基于氮化镓的电子产品也为进一步降低数据中心和消费类设备的功耗提供了良机。

       电动汽车的设计者自从市场形成以来就已经实现了前所未有的创新，随着汽车不断的数字化，未来将会出现更多变化。未来的电动汽车将更酷、更快、更小，为驾驶员带来惊人的性能提升，用更少的能源行使更长的里程。

       PCIM Asia 中也不乏专注于氮化镓开发应用的优秀展商，其中GaNPower International Inc.在PCIM Asia 2019 中带来了基于氮化镓的高频LLC 变换器解决方案，包括65W 适配器，DC/DC 通信电源，OBC 车载电源等，此外还展示了涵盖从8A 到60A 各类封装的增强型氮化镓功率器件。

       除此之外，清华大学电机系近年来成立了“ 先进能源变换和电气化交通团队”，在PCIM Asia 2019中向我们展示了基于GaN（氮化镓）器件的高速电主轴驱动器。他们研发的高速电主轴驱动器采用第三代功率半导体器件（GaN 及SiC）设计功率变换电路，利用FPGA 实现电机核心控制算法，突破了传统驱动器控制周期和开关频率的双重限制，极大地提高了对高速电主轴的控制精度，减小了主轴电机工作时的温升、震动和噪声，从而使机床加工精度可进一步提高。

文章来源：电子技术应用网

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