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先进材料是电动车快速崛起之关键
 

【作者: Mark Patrick】2018年04月10日 星期二

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全世界几??所有政府都承诺要减少温室气体的排放。在所有这些承诺中,也许欧盟(EU)所做的最雄心勃勃,该组织已制定了到2050年将排放水平降低80%之目标。为实现这一目标,汽车行业将需要大量节能。美国也通过企业平均燃油经济性(CAFE)标准做出对於降低排放的承诺,尽管这些标准和数据可能正处在现政府的审查之中。如果欧盟和美国继续保持目前这种态势,汽车制造商将面临巨大的压力,需要竭尽全力实现更高的燃油经济性。


这只是短期策略,从长远来看,将需要采纳电动车(EV)和混合动力车(HEV)以便能够实现这些目标。彭博新能源金融(Bloomberg New Energy Finance)研究发现,到2040年,电动车的出货量将达到约4100万辆,占全球汽车总出货量的35%,这与当今电动车的出货量相比是大幅增加。目前只有两个国家的电动车市场占有率较高:挪威为20%,荷兰为10%左右。其他大多数主要领先国家之电动车市场占有率均低於1.5%,这些主要的经济体包括美国、德国、中国、法国、日本和英国。


为了提升电动车比较低的市场占有率,电动车采用的技术必须要实现重大变革。目前,电动车比相同级别的内燃机式引擎汽车更加昂贵,这阻碍了潜在的买家。成本较高的原因主要是由於EV中的功率变频器和电力储存设备。除了成本之外,电动车还有其他便利性方面的缺陷使其甘拜传统汽车下风,例如充满一次电所能维持的续航里程以及充电过程所需的时间。成本和便利性方面的问题都归结於功率电子。


如果电动车的效能更高,可导致采用体积更小、成本更低的变频器,这也将使汽车有更远的续航里程,针对这些问题可能已经有相应的解决方案。氮化??(GaN)或碳化矽(SiC)等装置的宽能隙技术(wide bandgap)可以最大限度地降低矽装置固有的功率损耗,这些材料相较於矽有更高的电子迁移率和更低的RDS(on)特性,两种材料还具备更高的切换速率和更高的击穿电压(breakdown voltages)。


使用这些材料来提高总体功率效能还会带来其他优势,特别是在热管理方面。较低的散热量降低了对散热元件的需求,从而降低了相关的物料清单(BOM)成本,而占用的空间也更小。


GaN Systems公司基於GaN的GS6650x系列电晶体专为EV应用中的更高电压(高达650V)系统而设计,并且采用该公司专利的Island Technology技术,可在晶片上垂直地汲取电流,不再需要母线(bus bars),从而节省更多空间和重量。这种技术还可以降低电感损耗,达到较高的品质因数(FoM)值,从而降低了对饱和电压和切换损耗进行权衡的需求。该系列装置采用GANPX封装,在保持较小封装尺寸的同时,也使电感和热阻最小化。


这种技术的另一个很好的例证是松下的X-GaN功率电晶体系列。这些电晶体的击穿电压也高达600V以上,而且外形小巧,运作所需的被动元件数量极少。



图1 : 用於HEV / EV设计的GS6650x系列氮化??电晶体。
图1 : 用於HEV / EV设计的GS6650x系列氮化??电晶体。

图2 : 传统基於MOS矽制电晶体与松下X-GaN装置的比较。
图2 : 传统基於MOS矽制电晶体与松下X-GaN装置的比较。

另一家公司GeneSiC则专注於碳化矽(SiC)技术,其GA100SIC系列高级IGBT能够提供低损耗运作。具备这种能力的一个原因是,GeneSiC公司已投资开发用基於SiC之萧特基整流器来取代通常的矽基续流二极体(freewheeling diode),因此大大提高了切换性能。希??通过这些例子能够阐述SiC和GaN技术领域的最新进展,在电动车系统设计人员实施未来几代的功率变频器设计时,这些例证也能够提供具有竞争力的优势。


通过增加电动车之续航里程,减少充电时间,采用碳化矽和氮化??技术制造的功率元件会激发电动车市场之潜力。这些元件能够轻松支持更高电压,并具有更快的切换速度,能够为构建未来几代HEV / EV动力系统提供一个强有力平台。总之,宽能隙化合物已经显示出巨大潜在优势,能够帮助汽车行业实现国际立法为其设定的雄心勃勃之目标。


(本文作者Mark Patrick为贸泽电子技术营销经理)


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