幹貨 | 氮化镓IC如何改變電動汽車市場 ?

  隨著全球能源結構向低碳能源和節能運輸轉移,節能汽車產業麵臨著挑戰。如今,整個電動汽車(EV)市場的增長率已經超過傳統內燃機(ICE)汽車市場增長率的10倍。預計到2040年,電動汽車市場將擁有35%的新車銷量份額,對於一個開始批量生產不到10年的市場而言,這樣的新車銷售份額是引人注目的。

  隨著整個汽車行業從基於機械係統向數字係統轉變,電池、電子係統及係統組件創新相結合的經濟規模,對電動汽車的增長起到了至關重要的作用。電動汽車製造商和設計人員青睞於數字設計,而Canaccord Genuity預計,到2025年,電動汽車解決方案中每台汽車的半導體構成部分將增加50%或更多。本文將探討氮化镓(GaN)電子器件,也涉及到一點碳化矽(SiC),在不增加汽車成本的條件下,如何提高電動汽車的功率輸出和能效。

  增加功率而非重量電動汽車類別通常包括電池電動汽車(BEV)和插入式混合電動汽車(PHEV),也可以包括插電式混合電動汽車(HEV),盡管該類汽車(HEV)更依賴內燃機而非電動推進係統。考慮到開發混合電動汽車所需的電子器件數量,本文其他篇幅中將混合電動汽車界定為電動汽車的範圍。

  電動汽車行業鼓勵創新電氣係統的設計和開發,以取代以往的機械係統,例如:· 空調機組:向無刷直流或三相交流電機驅動壓縮機轉移· 真空或氣動控製:向電子控製模塊(ECM)轉移· 線控驅動(DbW)係統:向高功率機電執行器轉移· 停車製動器:向電動卡鉗轉移· 驅動輪係統:向端到端電氣化轉移 邏輯上,這些係統需要電子組件,包括眾多半導體器件。鑒於先進的電池管理技術,還將有更多的半導體器件不斷湧現。

  上述係統通常依靠由12V電池供電的電路中的中低壓矽(Si)mosFET(≤150V)。目前業界正在用更高電壓的電池(24V和/或48V)來替代12V電池,以適應更高的電力需求,而不增加電線線徑及布線成本。該替換過程同時也減少了銅線的重量,提高了驅動效率。

  到目前為止,驅動輪電氣化還要求汽車擁有第二個250V-450V高壓(HV)電池以及配套電子設備。(注:預計未來電池電壓將升高,這將需要更新更先進電子設備。) 突破成本效益與傳統內燃機汽車相比,這一點更為明顯。對於電動汽車而言,每一點重量都很重要。重量過高會降低產品使用壽命和消費者體驗質量。

  而且與任何產品一樣,成本控製(理想情況下,降低成本)仍然是重中之重。即使設計中增加了新功能,整體係統成本也必須順應市場對價格的壓力。

  所有這些新係統的推出大大增加了半導體和其他電子產品的數量以及所需的電池功率。理論上,這意味著更多的重量和更高的成本。一般而言,隨著總線電壓的增加,矽晶體管開關的成本會更高,這與汽車電氣化的要求是相反的。此外,一些新的車載係統的性能需要超多數量的矽器件,從而增加了係統規模、重量和成本。

  實質上,新型電動汽車係統難以支持HV Si MOSFET、IGBT和超級結等現有半導體技術。相反,該行業正在轉向功能強大的寬帶隙(WBG)技術,包括碳化矽(SiC)和矽上氮化镓(GaN-on-Si)。這兩種突破性技術都在電動汽車市場中占有一席之地。

  與Si IGBT相比,SiC提供更高的阻斷電壓、更高的工作溫度(SiC-on-SiC)和更高的開關速度。這些功能對於牽引逆變器來說是最佳的,因為它們需要間歇地將大量能量傳輸回電池。

  與此同時,矽上氮化镓開關為從低kW到10kW寬範圍的供電係統帶來了益處,即交流到直流板載充電器(OBC)、直流到直流輔助功率模塊(APM)、加熱和冷卻單元等。

  半導體目標電壓成本應用示例GaN(中低電壓)30V–300V$ 由APM/LIDAR驅動的係統GaN(高電壓)650V–900V$$OBCDC-DC轉換器(APM)SiC900V–1200V+$$$ 牽引逆變器Silicon(IGBT)$ 變頻器驅動表1:突破性半導體材料的最佳應用 氮化镓的魅力在於其固有的超越矽的幾個屬性。氮化镓提供更低的開關損耗;更快的速度,類似RF的開關速度;增加的功率密度;更好的熱預算;此外對電動汽車尤為重要的是,整個係統規模、重量及降低成本。

  氮化镓還使工程師能夠利用這些屬性的係統拓撲:無橋圖騰柱功率因數校正(PFC)。隨著圖騰柱PFC係統功率需求的增加,氮化镓的益處也隨之增加。

  

 

  圖1:傳統升壓CCM PFC對比采用GaN的無橋圖騰柱PFC 氮化镓提供更低的開關損耗、更快的開關速度、更高的功率密度、更好的熱預算、從而提高電動汽車的功率輸出和能效,且降低了重量和成本。

  采購和品質保證演變汽車行業向汽車電氣化的轉變不僅改變了所用技術的類型,而且對汽車供應商進行了重新定義。傳統的一級供應商從製造機械係統開始,而不是從電氣係統開始。雖然這些傳統的公司已經開始針對需求開始開發電氣係統,但人們對更智能、更具創新性的電氣化的需求卻給非傳統供應商帶來了機會。

  車載電力轉換係統最簡單的形式是基本的交流到直流、直流到交流以及直流到直流轉換器。這些轉換器廣泛應用於當今的眾多市場和應用中,包括電源、電信和非機載電池充電器。將這些係統提供給汽車行業對開關式電源(SMPS)原始設計製造商(ODM)來說,幫助他們進行了簡單且合乎邏輯的市場拓展,這些製造商也很渴望填補汽車市場不斷擴大的需求缺口。事實上,鑒於先進的電氣係統(特別是使用GaN的電氣係統)需要數十年時間開發大量專業技術,這種新的采購理念是大勢所趨。

  汽車行業受到高度監管,通常需要采購的元件有最佳的質量和可靠性,能滿足汽車電子委員會(AEC)行業標準。 SMPS ODM需要置身於滿足這些標準的先進半導體器件和主動組件的供應商網絡中。

  對於氮化镓來說,在更關鍵的電子子係統之一,符合AEC標準的器件已經存在,即電源開關器件和柵極驅動器對。

  Transphorm提供了一款汽車級AEC-Q101認證的GaN FET—650V TPH3205WSBQAFET,采用TO-247封裝,導通電阻為49mΩ。與矽技術相比,這些晶體管具有所有主要的GaN優勢:開關速度最大提高4倍,降低電壓和電流交叉損耗;功率密度最高增加40%;以及降低了整體係統規模、重量和成本(度量取決於應用)。 然而Transphorm的FET可與大多數現成的柵極驅動器配對,SMPS ODM和一級供應商可以使用Silicon Labs的Si827x隔離式半橋柵極驅動器來構建係統。這些驅動器符合AEC-Q100標準,符合汽車半導體器件的標準質量和文檔要求。

  高壓氮化镓電源在電源行業有些獨特:如前所述,氮化镓器件以射頻速度開關。比現有的千亿体育開關速度快得多。鑒於此,具有高共模瞬變抑製(CMTI)的高速柵極驅動器對優化Transphorm GaN FET的性能至關重要。為此,Si827x驅動器的CMTI規格最低為200 kV/μs,這是隔離驅動器的最高CMTI規格。

  氮化镓確保適應未來變化氮化镓材料的能特性和無損耗處理高電壓操作的能力,為設計人員在將來設計電動汽車時提供了決定性優勢,這包括更低的開關損耗、更快的開關速度、更高的功率密度、更出色的熱預算,並進一步降低重量和成本。除了電動汽車市場之外,基於氮化镓的電子產品也為進一步降低數據中心和消費類設備的功耗提供了良機。

  電動汽車的設計者自從市場形成以來就已經實現了前所未有的創新,隨著汽車不斷的數字化,未來將會出現更多變化。未來的電動汽車將更酷、更快、更小,為駕駛員(和自動駕駛員)帶來驚人的性能提升,用更少的能源行使更長的裏程。

  來源:SiliconLabs

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