通過GaN電源管理技術(shù)推動電動汽車的發(fā)展

許多駕駛員因里程焦慮、擔心找不到可以長時間停車的充電站而猶豫是否購買電動或混合動力汽車。

但電源管理方面的創(chuàng)新正在解決他們的猶豫。

與傳統(tǒng)硅基充電技術(shù)的汽車系統(tǒng)相比，結(jié)合了最新TI GaN電源管理技術(shù)的電動和混動汽車（HEV）充電速度更快，行駛距離更遠。讓汽車制造商更廣泛地普及電動/混動汽車是改善氣候和空氣質(zhì)量的重要一步。

TI高壓電源解決方案副總裁Steve Lambouses表示：“我們的客戶正在尋找在不大幅增加車輛重量或成本的前提下增加功率的方法。TI高度集成的GaN解決方案使汽車設(shè)計師能夠開發(fā)出更可靠、更經(jīng)濟實用、更高效的充電系統(tǒng)。這是從根本上革新充電系統(tǒng)。”

可靠的電源管理技術(shù)

GaN是一種用途廣泛的半導體材料，可承受高溫和高壓。這一點是諸如發(fā)光二極管、太陽能逆變器和可再生能源存儲系統(tǒng)等功率管理應用的關(guān)鍵考量因素。在過去十年中，TI GaN已為各類通信和工業(yè)設(shè)計有效供電，每款新產(chǎn)品都達到了新的功率密度和效率水平。

目前，TI憑借首款汽車級產(chǎn)品為車載充電系統(tǒng)供電，將GaN的優(yōu)勢展現(xiàn)給汽車市場。

對于混動/電動汽車，TI GaN為制造商提供了優(yōu)于傳統(tǒng)硅或新碳化硅（SiC）技術(shù)的優(yōu)勢。傳統(tǒng)技術(shù)在充電過程中會產(chǎn)生大量熱量，在增加充電時間的同時放出能量。與金屬氧化物硅（MOSFET）相比，可快速切換的集成柵極驅(qū)動器可實現(xiàn)功率輸出和功率密度的翻倍，設(shè)計人員能夠進一步優(yōu)化車載充電體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

TI電動汽車/ HEV電池汽車產(chǎn)品業(yè)務開發(fā)和功能安全總監(jiān)Ivo Marocco稱：“高效的電源管理后續(xù)需要關(guān)注三件事。首先，需要精確充電。其次，電池系統(tǒng)需要更高的安全性。第三，經(jīng)濟實用性是關(guān)鍵。鋰電池占到汽車成本的30％，而GaN基解決方案可以減少50％的功耗，從而提供更有效的方法。TI GaN技術(shù)可以解決所有這些問題?！?/p>

更快、更小、更可靠的電源管理

從小型手持式消費類設(shè)備和筆記本電腦到大型數(shù)據(jù)中心，科技不斷進步，電源管理也變的尤為重要——電動汽車也不例外。隨著時間的推移，雖然諸如絕緣柵雙極晶體管和金屬氧化物半導體場效應晶體管之類的較早的功率開關(guān)技術(shù)表現(xiàn)良好，但設(shè)計人員仍受限于尺寸、散熱、延遲、開關(guān)速度等問題。

所有電源管理都涉及開關(guān)——接通和關(guān)斷電流。開關(guān)效率低下會導致功率損耗，這就需要更充足的電源供給和充電時間來補償損耗?？焖?、精確的開關(guān)技術(shù)可產(chǎn)生更無縫高效的能量流，進而減少系統(tǒng)尺寸，并縮減成本。

Steve稱：“GaN快速的開關(guān)速度提高了效率，從而減輕了汽車冷卻的負擔。電源磁性器件的尺寸減小了約60％，GaN的高效降低了系統(tǒng)成本并提高了整體功率密度。最終的成果體現(xiàn)在車輛的減重以及增加的續(xù)駛里程上。這就是GaN基電源管理系統(tǒng)的優(yōu)點。”

混動/電動汽車工程師能夠通過GaN實現(xiàn)比現(xiàn)有解決方案加倍的功率密度、更快的電池充電速度、更穩(wěn)定可靠的運行以及更高的車載充電系統(tǒng)效率。

Ivo稱：“GaN已推出一段時間了，大家都了解其優(yōu)點。但現(xiàn)在它已從汽車領(lǐng)域理論轉(zhuǎn)變?yōu)閷嶋H應用，十分令人興奮?！?/p>

TI高度集成的GaN解決方案可優(yōu)化成本和功耗

TI GaN的創(chuàng)新遠遠超出了普通開關(guān)。它為客戶提供了能夠創(chuàng)建GaN基車載充電系統(tǒng)的全套功能，這也將成為混動/電動汽車市場向前發(fā)展的重要一步。

我們利用汽車專業(yè)知識將TI 硅基氮化鎵（GaN-on-silicon）FET和快速切換的2.2MHz硅柵極驅(qū)動器共同封裝。在單個芯片中集成了開關(guān)、控制器和保護技術(shù)，為客戶提供了一種將所有部件整合在一起的簡便方法。

Steve稱：“就像是將大腦和肌肉結(jié)合在一起。開關(guān)是肌肉，但集成了控制器的TI GaN就像大腦一樣智能，能讓開發(fā)人員從我們的解決方案中獲得最高性能?！?/p>

對GaN進行測試

由于GaN和其他寬帶隙晶體管在結(jié)構(gòu)和材料上與硅設(shè)備有所差異，它們需要專門定制的測試指南以確保設(shè)備的可靠性。測試指南對于增強人們對GaN可靠性的信心以及推進其在整個行業(yè)的應用至關(guān)重要。

TI與合作伙伴共同創(chuàng)立了JEDEC的JC-70寬帶隙功率電子轉(zhuǎn)換半導體委員會，旨在為工程師提供有效指導，幫助他們創(chuàng)造可靠設(shè)計。委員會近期宣布了專門針對GaN的新開關(guān)指南——JEP180：氮化鎵功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的開關(guān)可靠性評估程序指南。

TI GaN技術(shù)創(chuàng)新架構(gòu)師Stephanie Watts Butler博士稱：“這項新指南為工程師提供了對開關(guān)行為的可靠評估，將進一步加速GaN在整個行業(yè)的普及，尤其是在效率、功率密度和可靠性至關(guān)重要的汽車和工業(yè)市場中。

過去十年中，我們的內(nèi)部可靠性實驗室對GaN性能進行了超過4，000萬小時的設(shè)備可靠性測試和超過5 GWh的功率轉(zhuǎn)換應用測試，以確保設(shè)備的長期可靠性。

Steve稱：“GaN就像是一款精密的瑞士手表。它可以進行非常精確的調(diào)整，并且我們知道如何將其調(diào)整至最佳性能。我們的測試實驗室為我們提供了答案?！?/p>

更環(huán)保、更安全、更智能的交通世界

汽車行業(yè)正在見證混動/電動汽車銷量的快速增長——同比增長近60％。預計到2025年，目前的560萬輛汽車會增長至占全球汽車銷量的30%的龐大數(shù)量。美國現(xiàn)有的約25，000個充電站網(wǎng)絡預計也會大幅擴張。

Steve稱：“我們的GaN電源管理技術(shù)為汽車設(shè)計工程師和汽車制造商提供了一個大幅減少車輛充電時間、增加功率密度、提高成本效率、增加行駛里程和提高可靠性的機會。混動/電動汽車的應用阻礙將會減少，人們能夠更加齊心協(xié)力地創(chuàng)造一個更清潔、更環(huán)保的星球?！?/p>

審核編輯：郭婷