我們都知道硅 (Si) 如何在功率應(yīng)用中達(dá)到其理論極限，需要新材料表現(xiàn)出更高的效率、更好的熱管理，并且可能允許降低成本和尺寸。氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙半導(dǎo)體，在電源應(yīng)用中提供比硅更好的性能，正在取代傳統(tǒng)的基于硅的 MOSFET，用于電路中的高效率和在更高溫度和頻率下運(yùn)行的能力是強(qiáng)制性要求。相關(guān)應(yīng)用包括所有不同類型的電動(dòng)汽車 (EV)，它們需要極其高效和可靠的電機(jī)控制解決方案，以盡可能地?cái)U(kuò)展車輛的自主性。

氮化鎵的好處

GaN FET 在幾個(gè)方面優(yōu)于傳統(tǒng)的硅基功率器件，包括：

• GaN 的擊穿場(chǎng)比硅高 10 倍以上（3.3 MV/cm 對(duì) 0.3 MV/cm），允許基于 GaN 的功率器件在損壞前支持高 10 倍的電壓。
• 在相同的電壓值下運(yùn)行，GaN 器件表現(xiàn)出較低的溫度并產(chǎn)生較少的熱量。因此，它們可以在比硅更高的溫度（高達(dá) 225?C 及更高）下運(yùn)行，而硅受到其較低結(jié)溫（150?C 至 175?C）的限制。
• 由于其固有結(jié)構(gòu)，GaN可以在比硅更高的頻率下進(jìn)行開關(guān)，具有低 R _DS(on)，并且具有出色的反向恢復(fù)。反過來，這會(huì)帶來高效率，同時(shí)減少開關(guān)和功率損耗。
• 作為一種高電子遷移率晶體管，GaN 器件具有比硅器件更高的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而可以實(shí)現(xiàn)更小的芯片尺寸和更小的占位面積。

FTEX

使用基于 GaN 的功率器件來開發(fā)電動(dòng)汽車解決方案的公司之一是 FTEX。這家總部位于蒙特利爾的加拿大公司將超高效率的基于 GaN 的傳動(dòng)系統(tǒng)與軟件定義的固態(tài)傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，開發(fā)精密電機(jī)控制系統(tǒng)，以提高車輛性能、擴(kuò)展里程并增強(qiáng)駕駛員體驗(yàn). 從涉及小型電動(dòng)汽車的應(yīng)用開始，F(xiàn)TEX 旨在為一系列 3-kW、5-kW、10-kW 和 20-kW 系統(tǒng)提供服務(wù)。

FTEX 開發(fā)的技術(shù)最初包括電源轉(zhuǎn)換器和逆變器，現(xiàn)已部署在用于個(gè)人移動(dòng)的輕型電動(dòng)汽車 (LEV) 上，這是其進(jìn)入市場(chǎng)的切入點(diǎn)。根據(jù)已經(jīng)規(guī)劃好的路線圖，該公司將很快轉(zhuǎn)向更高電壓和更高功率的汽車（如大功率輕便摩托車和電動(dòng)摩托車），然后轉(zhuǎn)向汽車市場(chǎng)。

“我們的路線圖定義了我們所說的‘核心’：核心 1，用于 [LEV]；Core 2，用于摩托車和雪地摩托；FTEX 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Alexandre Cosneau 說：“以及針對(duì)汽車行業(yè)的 Core 3。

FTEX 的解決方案

據(jù) FTEX 稱，他們開發(fā)了名為 GaNRunner（見圖 1）的 Core 1 產(chǎn)品，這是一款面向工業(yè)市場(chǎng)的 GaN 驅(qū)動(dòng)逆變器。由 GaN FET 晶體管驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化硬件具有高可靠性、多層故障安全保護(hù)和密封防水 IP65 防護(hù)等級(jí)。主動(dòng)熱管理提高了電動(dòng)汽車的可靠性和安全性，同時(shí)降低了故障發(fā)生率。據(jù) FTEX 稱，得益于專有的增強(qiáng)軟件，可以獲得更準(zhǔn)確的磁場(chǎng)定向控制波，在高速和低速下提供更平滑的加速和減速。由于 GaN FET 的高效率，與傳統(tǒng)的基于硅的 MOSFET 器件相比，GaNRunner 器件具有更少的功率損耗和更低的電流吸收。除此之外，F(xiàn)TEX GaN 逆變器可以在更低的溫度下運(yùn)行，需要更少的熱管理組件（例如散熱器或風(fēng)扇）。這允許多達(dá) 15% 的范圍增加和顯著更小的外形。

GaNRunner Core 1 目前有不同版本，適用于高達(dá) 3 kW 的電機(jī)，涵蓋廣泛的 LEV，如滑板、自行車、踏板車、機(jī)動(dòng)車輛和輕便摩托車。

“我們的核心知識(shí)不僅在于硬件的開發(fā)，而且主要在于為其提供支持的固件和軟件的開發(fā)，”Cosneau 說。

FTEX 的 Core 2 產(chǎn)品是用于商用電動(dòng)汽車 (EV) 的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器（正在申請(qǐng)專利）。據(jù) FTEX 稱，得益于該設(shè)備的可變直流總線和可調(diào)節(jié)的軟件定義參數(shù)，電動(dòng)汽車制造商將能夠?yàn)橛脩艏捌滠囕v提供更多按需供電和更遠(yuǎn)的續(xù)航里程。

Dynamic Drive 設(shè)備（如圖 2 所示）包括一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器和一個(gè)逆變器，它們結(jié)合在一起形成了 OEM 的固態(tài)解決方案，在其動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇電機(jī)和電池時(shí)提供了更大的靈活性。最終結(jié)果是 EV 動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)靜態(tài)直流總線逆變器相比，可提供高達(dá) 30% 的功率和續(xù)航里程。

結(jié)合駕駛員習(xí)慣（通過先進(jìn)的人工智能算法推斷）與電池的充電狀態(tài)和健康狀態(tài)，以及其他參數(shù)（過程中涉及 1,000 多個(gè)參數(shù)），Dynamic Drive 能夠管理能量必須從電池傳輸?shù)诫姍C(jī)。

據(jù) FTEX 稱，Core 2 設(shè)備將高性能和高頻 GaN 晶體管與 FTEX 先進(jìn)的硬件和軟件相結(jié)合，提供了一種將 EV 續(xù)航里程提高 30% 的動(dòng)力系統(tǒng)解決方案。GaN 晶體管可為高功率電動(dòng)汽車應(yīng)用提供小型、高效和低成本的解決方案。基于增強(qiáng)型 100V GaN 晶體管，動(dòng)態(tài)電機(jī)控制器在具有出色熱效率的小型封裝中提供高功率密度。

FTEX 現(xiàn)在正與其制造合作伙伴和供應(yīng)商攜手合作，將于 2022 年第一季度開始批量生產(chǎn)。 FTEX 的第一代產(chǎn)品將在未來幾個(gè)月內(nèi)在選定的發(fā)布合作伙伴的車輛上提供。

“FTEX 的第二代 Dynamic Drive 預(yù)計(jì)將于 2023 年第一季度發(fā)貨，支持功率高達(dá) 20 kW 的大型車輛，”Cosneau 說。“我們目前正在與我們的發(fā)布客戶一起測(cè)試和驗(yàn)證 Dynamic Drive 的優(yōu)勢(shì)，并預(yù)計(jì)今年夏天我們的 Core 2 Dynamic Drives 的首批原型將上路?！?br />

審核編輯：劉清