“”减肥瘦身”不是梦，电动汽车设计越来越简化

/ 导读 /

目前,电动汽车电池行业五分之二的顶级公司在中国,国内各种电动汽车保有量已超过400万台;更有预测说:到2030年,中国将占全球电动汽车(EV)电池价值链的三分之二。这说明什么?电动汽车已经成为一种趋势,但是,其续航里程仍是消费者最关心的问题之一,也是主机厂改善消费体验,从而打动用户的重要卖点,特别是充电时间。

另外,由于先进驾驶员辅助系统(ADAS)和信息娱乐和功能控制系统等新功能的不断增加,使车辆整体能耗越来越大。因此,必须利用更先进的半导体技术提升能量密度、充电效率和可靠性,同时减小体积和重量,让电动汽车跑得更远,与燃油汽车有相同的充电体验和续航里程。这就是近来人们听到的:汽车越智能,就越需要GaN(氮化镓)。

“减重瘦身”势在必行

目前,电动汽车动力电池虽然已经取得了长足进步,但是,电池续航能力仍然是制约电动汽车持续快速发展的重大瓶颈之一,而过大的车重更是阻碍了续航里程的进一步提升。根据国创中心的一项研究,对比国外同类产品,我国电动汽车普遍偏重。

我国电动汽车比国外同级车偏重比

致力于汽车智能化和轻量化产品研发和制造的保隆科技副总裁、汽车金属管件单元总监陈洪泉对此深有感触。他表示,应用轻量化零部件对电动汽车续航里程的提升有明显效果。有研究表明,纯电动汽车重量每降低10kg,续航里程可增加2．5km。

他认为,轻量化是续航里程提升的基石,对于新能源车企而言,采用轻量化零部件对整车“减重瘦身”后,除了有效缓解车主里程焦虑,还能提升汽车的操控性能。

他说:“随着消费升级,消费者对于汽车的要求已经不再是简单的‘能开就行’,而是对汽车提出了更高的要求。轻量化可以带来加速和制动方面的性能提升,进一步满足消费者的购车新需求,更有望获得政府补贴。还有一点不容忽视,由于电池重量在车中占比较大,轻量化还有助于车企设计车辆时将更多重量分配给电池,从而进一步提升续航里程。”

当然,整车的减重瘦身不可能一蹴而就,必须从最基本的零部件做起,尤其是电子部件越来越多的电动汽车,提高功率密度、减少元器件用量都可以为轻量化做出贡献。

GaN之于汽车又有突破

在电子技术的推动下,汽车工业在许多方面正在经历一场复兴。其首要目标是更安全的汽车、更好的驾乘体验、更高的能效和更低的拥有成本。
GaN是一种采用颠覆性工艺技术的第三代半导体,其物理性能比硅稳定得多,带隙宽,具有耐高温性和较好的导热性。它是有助于从内燃机向电动汽车和智能汽车转变的不可多得的选择。通常采用的技术是成熟的硅基GaN(GaN-on-Si),它可以使系统变得更小、更轻、更高效、总体系统成本更低。

最近,GaN已突破了600V耐压的临界点,走向了车规功率应用,随着技术的发展,GaN已经提前进入了汽车应用市场。

GaN已经提前进入汽车应用市场

电动汽车要想实用,就必须缩小组件的尺寸,把重量减到最小,因为每一公斤重量都会减少有效载荷,缩短续航里程。
那么,GaN是如何增加能量密度和系统效率,提高电动汽车续航能力呢?将相同尺寸组件的功率输出加倍可大量节约成本,还有助于快速充电。这可以通过在高频率下控制车载充电器(OBC)或快速DC充电器中的PFC(功率因数校正)级和DC-DC功率转换器的开关来实现。这样做还减小了磁性元件尺寸,有助于实现高功率密度。对于给定应用,更高的系统效率可带来更低损耗和使用更小的散热器方案,还可降低器件上的热应力,有助于延长使用寿命。在越来越拥挤的汽车中,面积、体积和重量都意味着成本!当然,还必须提高可靠性,防止自燃事故的发生。

欲复制功率MOSFET的成功

现在功率MOSFET已在汽车中广泛应用,其导入汽车之初与今天的GaN如出一辙。EPC公司CEO兼共同创始人Alex Lidow博士回忆道:“44年前,当我第一次开发功率器件时,还是使用硅功率双极晶体管。”1978年,他的国际整流器公司(IR,2015年被英飞凌收购)推出了功率MOSFET,作为一种更快开关速度的替代品,它取代了较慢和老化的双极器件。功率MOSFET的早期采用者是台式计算机开关电源,先是苹果,然后是IBM。

他说,直到20世纪80年代中期,功率MOSFET的量产才使功率MOSFET的成本与双极晶体管相当。那时,IR发起了替代双极晶体管的进攻,目标是占据双极晶体管市场最大份额的摩托罗拉。摩托罗拉回应:MOSFET存在可靠性、高价格和不可靠的供应链等问题。这和今天的第三代半导体GaN相仿。

尽管如此,功率MOSFET仍然在双极晶体管占主导地位的应用中获得了认可。摩托罗拉认识到这项新技术的优势,也推出了功率MOSFET,并承诺:两项技术“我们都做,所以从我们这里购买最好”。问题是,它没有做出最好的功率MOSFET,最终输掉了半导体材料之争。

此时此刻,GaN正在挑战功率MOSFET的霸主地位。GaN晶体管开关比MOSFET快10倍,比IGBT快100倍。GaN正在复制功率MOSFET的成功历史!

电气化改变汽车,GaN改变设计

市场研究机构Strategy Analytics的动力总成、车身、底盘和安全服务总监Asif Anwar表示:“GaN等宽带隙半导体技术无疑为汽车电力电子设备(尤其是高压系统)带来了更稳定的性能。而硅基氮化镓器件的生产、封装与优化的硅基驱动器技术结合,将使之更快导入汽车应用。”

电气化正在改变汽车行业,而GaN正在改变工程师设计汽车的方式。他们需要在不影响汽车性能的同时,设计出更紧凑、轻便的汽车系统。与现有的硅或同属第三代半导体碳化硅(SiC)解决方案相比,使用新型车用GaN FET(氮化镓场效应管)可将车载OBC和DC-DC转换器的尺寸减少多达50%,使工程师能够延长电池续航时间,提高系统可靠性,并降低设计成本。

在汽车设计中,这些新器件还可在更低功耗和占用更小电路板空间的情况下,实现更高的效率和功率密度。

GaN的特性决定了其最佳的性能、效率和可靠性,比一流的SJ MOSFET还要出色;它本身就少一个体二极管,开关速度比硅解决方案更快更高效。无论是提高系统功率密度,还是开关频率,GaN都可以缩小设计尺寸,降低设计重量和成本。

GaN与SJ MOSFET(SuperJunction,超级结)、硅的综合性能比较

此外,它还可以通过降低开关损耗、导通损耗,同时消除逆向恢复损耗来提高能效。总之,工程师可以获得三个方面优势:易于设计、高效和高可靠性的解决方案。

如何做到呢?

德州仪器(TI)高压电源解决方案副总裁Steve Lambouses表示:“汽车应用越来越需要在更小的空间内提供更多的电力,设计人员必须提供能在汽车长久生命周期内可靠运行的电源管理系统。凭借超过4000万小时的器件可靠性测试和超过5GWh的功率转换应用测试,我们的GaN技术已能够为工程师提供满足市场需求的可靠的全生命周期保障。”

来看看这颗可以帮助工程师实现OBC两倍功率密度和更高效率的器件LMG3525R030-Q1。

功率密度、效率和体积都要兼顾

与现有解决方案相比,这款带集成驱动器、内部保护和有源电源管理的车用GaN FET采用快速开关的2．2 MHz集成栅极驱动器,可帮助工程师提供两倍的功率密度和高达99%的效率,并将电源磁性器件的尺寸减小59%。与碳化硅(SiC)等同类衬底材料相比,利用GaN材料和在硅基氮化镓衬底上的加工工艺开发的新型FET更具成本和供应链优势。

归纳起来,新的解决方案优势有三:

1．以更少器件实现翻倍功率密度

在电动汽车等高电压、高密度应用中,电路板空间最小化是设计中的重要目标。随着电子系统变得越来越小,其内部组件也必须不断缩小并更加紧凑。新型GaN FET集成了快速开关驱动器以及内部保护和温度感应功能,使工程师能够在电源管理设计中减小电路板尺寸、降低功耗的同时实现高性能。这种集成再加上TI GaN技术的高功率密度,使工程师能够将分立解决方案的组件减少10多个。此外,在半桥配置中应用时,每个新型30mΩ FET均可支持高达4 kW的功率转换。

2．降低固件复杂性,缩短开发时间

过去,要获得快速开关性能,就会有更高的功率损耗。为了避免这种不利后果,新型GaN FET采用了智能死区自适应功能,以减少功率损耗。例如,在PFC中,与分立式GaN和SiC MOSFET相比,该功能可将第三象限损耗降低多达66%,同时无需控制自适应死区时间,从而降低了固件复杂性和开发时间。

3．更大限度提高热性能

采用TI GaN FET的封装产品,其热阻抗比性能最接近的同类产品低23%,因此,工程师可以使用更小的散热器,同时简化散热设计。无论应用场景如何,这些新器件均可提供更大的散热设计灵活性,并可选择底部或顶部冷却封装。

此外,FET集成的数字温度报告功能还可实现有源电源管理,使工程师能在多变的负载和工作条件下优化系统的热性能。

德州仪器高压电源应用产品业务部氮化镓功率器件产品线经理Steve Tom在展示产品时说,由两个LMG3525 30mΩ GaN FET组成的LMG3525R030-Q1 650V车用GaN FET评估板,使用半桥配置了所有必需的偏置电路和逻辑/功率电平转换功能,通过插座可轻松与外部功率级连接。采用散热板时,转换功率高达5000W,如果使用液体冷却,转换功率可提升至6000-7000W。

650V车用GaN FET评估板

他最后总结说:“TI GAN通过集成FET、高速栅极驱动器及保护功能简化了设计,节省组件数量和布板时间。不仅简化了布局,还极大地降低了电感尺寸,并改进了GAN开关,最低限度减少了振铃,提高了效率。还能确保设计具有出色的可靠性,延长器件寿命。通过内置的高速、过流和过温功能,可以保护系统中的GAN器件,防止发生击穿。”

高功率GaN还是蓝海市场

目前,很多厂商在推广SiC技术,也有一些厂商却与GaN结下了不解之缘,他们在努力让已在主流消费市场(手机快充)应用的功率GaN超越SiC,围绕汽车等高功率应用的争夺已悄然展开。

不过,GaN是一个全新的技术,其应用还是蓝海市场,市场需要这样的先驱者。