擴展到900V的氮化鎵產(chǎn)品滿足汽車、家電及工業(yè)類應用需求

日前，Power Integrations（PI）舉辦新品媒體線上溝通會，公司資深技術培訓經(jīng)理Jason Yan介紹了在美國APEC展（國際電力電子應用展）上發(fā)布的一款重要新品——900V氮化鎵（GaN）產(chǎn)品。PI之前有650V硅器件，后來發(fā)布的氮化鎵器件是750V，現(xiàn)在把氮化鎵產(chǎn)品擴展到900V，以滿足汽車、家電及工業(yè)類應用的需求。

來自汽車、工業(yè)及家電類應用的市場驅動力

在汽車、工業(yè)和家電應用中，市場驅動力主要來自于功率需求不斷加大，不管是電腦、家電還是工業(yè)應用，微處理器處理能力不斷提高，功耗相應增加；一些IoT應用需要通過無線模塊通信，家電增加了觸摸屏和照明功能，峰值功率需求也在增加；電動汽車的趨勢是去掉12V蓄電池，900V母線電壓推出后，也需要有相應的功率器件。這些都要求在負載范圍內提供更高的效率和更高的待機輸出功率，同時簡化散熱，降低系統(tǒng)尺寸，滿足不斷升高供電電壓的要求。

初級功率開關的優(yōu)化

Jason Yan回顧到，PI之前開發(fā)了高度集成的反激方案InnoSwitch-3，可以在單一封裝中集成初級和次級電路，其中采用快速的數(shù)字隔離方式FluxLink （磁感耦合）。InnoSwitch-3初級和次級都有一個控制器，通過FluxLink 通信，將次級的電壓電流信號傳到初級控制器，由控制器決定開關狀態(tài)，最終實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓或電流。由于在次級側集成了同步整流驅動，效率高達95%。不像傳統(tǒng)的PWM，由于采用的是一種數(shù)字反饋方式，控制器本身的功耗非常低。這種控制方式可以將空載功耗做到小于10mW。得益于PI獨有的封裝研發(fā)能力，功率器件散熱更佳，100W應用可以不使用散熱片。使用InnoSwitch-3有助于減輕電源重量，縮小電源體積，同時也增加了系統(tǒng)的可靠性。

事實上，電源的最終目標是實現(xiàn)小尺寸設計，不只是PD充電應用需要小體積，家電、汽車類應用同樣有小尺寸電源的需求。另外，900V氮化鎵可以針對更高的供電電壓范圍，這也是目前電動汽車架構從400V母線向800V母線切換的動力，其內部電源的輸入電壓和功率開關管的耐壓都有相應提高。此外，在室外照明方面，一些地區(qū)采用工業(yè)或三相電供電，也會涉及更高的輸入電壓。

初級側功率開關一般都會根據(jù)不同輸入電壓選擇不同材料的器件。PI的所有系列產(chǎn)品有三類材料，一是硅開關，目前有650V、725V和900V，不同硅器件針對不同Vds耐壓。已經(jīng)發(fā)布的氮化鎵器件是750V，用于功率比較大的應用。再往上有1700V耐壓的碳化硅（SiC），可以耐受更高的母線電壓。不同的耐壓可以應對不同輸入電壓的應用。功率開關一般需要有10%的降額，如果考慮雷擊、噪聲，還要增加到20%的降額，所以功率器件選擇時要留不同的裕量，以滿足不同的使用工況。

Si、GaN及SiC初級功率開關的優(yōu)化

Jason Yan介紹說，目前在工業(yè)類或某些汽車應用中，EPS（應急電源）用碳化硅可以做到1700V耐壓，在汽車應用中還要滿足AEC-Q100車規(guī)認證要求。PI的900V硅器件、750V氮化鎵，1700V SiC都通過了AEC-Q100認證。對于其它的工業(yè)類應用，可以使用高耐壓非車規(guī)的一些型號。

現(xiàn)在推出的900V耐壓氮化鎵——900V PowiGaN增加了裕量和耐用性，從原來的750V增加到900V。與硅器件相比效率更高，功率也更大。在封裝不變的情況下，它可以輸出更高的功率。該產(chǎn)品擴展了電壓范圍，同時提升了效率。在不同輸入電壓情況下，交流輸入越高，直流母線電壓也越高；母線電壓增高，開關損耗就會相應增加。而650V或725V硅器件難以應對這么高的母線電壓。

900V PowiGaN擴展了電壓范圍且提升了效率

寬禁帶器件具備結溫更小、溫升更低的優(yōu)勢。60W電源的溫升測試表明，在400Vdc輸入情況下，與725V硅開關相比，1700V碳化硅溫升從100℃降到了89℃，如果采用900V氮化鎵開關，溫升會降到78℃。盡管效率提升只有1.5個百分點，但溫升改善達20℃。這對環(huán)境溫度比較高的汽車應用尤其重要。

1.5%的效率改善 = 減少20%熱量

采用900V氮化鎵的效率改善了1.5個百分點，功率損耗減少了20%，熱量的減少有助于縮小電源體積和PCB空間，或實現(xiàn)更高功率密度的設計。

三種不同材料器件對比，降低器件溫升 = 減小電源的尺寸

InnoSwitch3-AQ簡化EV功率架構

Jason Yan說，InnoSwitch-3除了在很多工業(yè)類應用中使用，也可以用于汽車應用。電動汽車的功率架構與燃油汽車不同，但都會有一個12V鉛酸蓄電池。盡管電動汽車中有400或800V高壓動力電池，但鉛酸蓄電池仍然在電動汽車當中為12V的低壓負載進行供電。目前的電動汽車當汽車停止使用時，其告警、通訊及其它待機負載仍由此外接的低壓蓄電池供電。

集成充電控制單元中的DC-DC高壓之后有高壓功率配電模組PDM，給AC壓縮機或客艙加熱供電。后面的高壓電池組就是動力電池，需要有電池管理系統(tǒng)（BMS）。此外，還有引擎控制單元、保險絲、接觸器、熱管理等，以在故障情況下將動力電池和電路切斷，防止在撞車或故障情況下高壓對人身安全產(chǎn)生危險。高壓功率模組給高壓電池充電，然后提供給逆變器以驅動電機和車輪。

EV仍然在使用鉛酸電池

系統(tǒng)中的EPS可以在故障情況下保證逆變器的驅動和安全控制，并提供應急供電。其中的InnoSwitch-3-AQ為60W左右，可以滿足功能安全要求。在汽車等低壓設備中的12V負載，包括風扇、娛樂系統(tǒng)、照明、車窗泵、轉向助力、輔助駕駛、安全及通信系統(tǒng)，人手能碰到的地方需要保證安全。這些低壓負載均由輔助供電單元來進行供電，其中最大的消耗來自于轉向助力，因此輔助供電單元的峰值輸出功率甚至可達2000W到4000W。

Jason Yan指出，現(xiàn)在的趨勢是將12V電池去掉或將12V電池體積縮小，以減少整車重量，同時節(jié)省空間，降低成本，特別是延長續(xù)航里程；同時也有利于降低維護成本，不必對電池進行定期更換。

消除12V電池有利于降低重量、空間、成本和維護要求

在12V電池去掉或縮小的情況下，可使用多個InnoSwitch3-AQ組成的電源為低壓負載供電，單個InnoSwitch3-AQ的輸出功率可達100W。另外，還有一個60W至100W輸出的待機電源，其主要作用是在汽車停止期間以更高的效率給低壓12V負載供電，延長整車的待機時長。根據(jù)不同電動汽車的功率架構，有時12V低壓負載要由多個APU并聯(lián)供電，以提供一定的功率冗余，這樣就可以去掉或縮小原來的12V蓄電池。而電動汽車功率架構改進的另一個趨勢就是，既然轉向助力有峰值功率需求，一些車企考慮不用12V供電，而用高壓供電。這樣就將很大一部分低壓負載的功率轉移到高壓負載。這樣就降低了對多個APU的并聯(lián)需求。

PI的高效氮化鎵100W汽車用EPS電源元件數(shù)目很少，大概在80個左右，高度也非常薄。EPS輸入為30到500Vdc，輸出13.6V/6.5A，50%以上負載條件下效率大于93%，這也是PI高效同步整流的效果。在汽車應用中，多一個器件可能增加不了多少成本，但工程師在驗證系統(tǒng)安全性時則需要花大量的時間做很多實驗，以保證每個器件在出現(xiàn)失效時汽車是安全的。這個樣板在10%負載以上時，效率仍然能夠大于85%。所以，無論是溫升還是可靠性，都會有大幅改善。

高效GaN的100W汽車用EPS

采用FluxLink 方式能夠滿足加強絕緣要求，同時能用次級穩(wěn)壓方案來做電動汽車中各種輔助電源的設計。次級穩(wěn)壓方案穩(wěn)壓精度更高，相對于目前市場上廣泛采用的初級穩(wěn)壓方案，可以省掉后面的DC-DC。

什么時候會去掉12V鉛酸電池？

事實上，現(xiàn)在還沒有一款車型能夠完全拿掉12V鉛酸電池，特斯拉目前還是使用12V鉛酸電池，誰能率先將這個電池去掉呢？針對未來電動汽車800V母線電壓，900V GaN又能夠做什么呢？

Jason Yan表示，傳統(tǒng)燃油汽車當中的12V鉛酸電池在汽車啟動期間可以提供瞬間的高啟動電流，而在汽車停止期間僅進行待機供電，以保持告警功能，包括各種保護措施。而電動汽車則無類似的啟動電流要求。所以，完全沒有必要在電動汽車當中使用大容量的12V鉛酸電池。因鉛酸電池有限的使用壽命及過高的維護成本對消費者來講并無益處。

目前，有些日本、歐洲車企已經(jīng)在將12V鉛酸電池換成重量更輕、壽命更長的小容量的鋰電池，主要功能是在汽車停止沒有充電期間給所有低壓系統(tǒng)供電，包括汽車安全、通信系統(tǒng)等等。之后，可能會將12V鉛酸電池完全拿掉，利用待機電源APU由高壓動力電池給這些低壓負載待機供電。

他還指出，4000W全橋電源在輕載條件下效率極低，因為車停在那里功耗非常低，在如此輕負載情況下，APU效率很差，放電能力就會受限，待機時間也受限。這就需要一個待機電源，盡管只有60到100W，但是在車沒有啟動時，其工作效率非常高。這樣就可以在電池縮小后有更長的待機時間。所以，縮小12V鉛酸電池只是第一步，第二步會將它完全拿掉。

功率變換的未來在于GaN

Jason Yan最后強調，未來，PI很多產(chǎn)品都會逐步采用氮化鎵。900V耐壓氮化鎵的推出增加了輸出功率，同時也改善了設計裕量，可以使400Vdc母線汽車系統(tǒng)更安全；也適合輸入電壓范圍非常寬泛的三相供電服務器類輔助電源；同時適用于輸入電壓更高的路燈照明等工業(yè)類供電應用。而PI已經(jīng)推出的1700V耐壓的碳化硅器件，用于滿足800V汽車母線和更高三相工業(yè)電壓供電的應用。

從趨勢看，GaN技術能夠以更低的成本實現(xiàn)相對較高的效率。對于使用者來講，PI的多種方案可以說是量身定做的，即針對不同的功率變換應用選取不同的功率開關。比如假設應用當中功率開關流過的電流比較小，GaN的低導通損耗優(yōu)勢就發(fā)揮不出來，這時就可以使用硅基材料的開關器件。隨著功率的增加，PI采用氮化鎵開關的方案在設計上也不需要使用者有什么特別的設計考量，設計者唯一能感受得到的就是溫升更低，功率更大，效率更高，非常容易進行切換?？傊鶕?jù)具體應用選擇使用適合的硅開關、氮化鎵開關或者碳化硅開關。

審核編輯：湯梓紅