Технология нитрида галлия направлена на замену кремния и повышение производительности электромобилей при одновременном сокращении затрат.
Технологические достижения в области электромобилей (электромобилей) неуклонно сокращают стоимость транспортных средств, обеспечивая при этом энергоэффективность и новые дизайнерские решения. Комбинация более энергоемких аккумуляторов и электродвигателей с более высоким КПД, инверторов и бортовых зарядных устройств помогает уменьшить массу транспортного средства, что приводит к увеличению запаса хода.
По этой причине разработчики силовых установок электромобилей уделяют больше внимания силовым транзисторам из нитрида галлия (GaN). GaN может заменить кремний как основу электронных чипов, чтобы удовлетворить растущую потребность в более быстрых и эффективных схемах в средах с высокой мощностью. GaN способен поддерживать более высокий КПД, чем кремний; Полупроводники GaN имеют в 1000 раз большую подвижность электронов – они текут быстрее – чем кремний. Это, в свою очередь, обеспечивает улучшенные условия регулирования температуры, что приводит к уменьшению размеров и стоимости систем охлаждения.
Как и в случае с большинством новых технологий, между ранним внедрением и массовым использованием проходит период времени. В настоящее время GaN находится на переломном этапе в становлении мейнстрима. Доказанная надежность, производственные достижения и правительственные постановления, направленные на повышение эффективности и снижение выбросов CO2, - все это привело к появлению у клиентов спроса на GaN.
Полевые транзисторы на основе GaN (полевые транзисторы, которые используют электрическое поле для управления протеканием тока) предлагают потенциал для более высокой эффективности и плотности мощности в тяговых инверторах электромобилей, бортовых зарядных устройствах (OBC) и преобразователях постоянного / постоянного тока.
Инверторы на основе GaN обеспечивают повышение эффективности более чем на 70% по сравнению с современными инверторами, использующими традиционные полупроводники IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), которые в настоящее время являются рабочими лошадками в управлении мощностью электромобилей и гибридных транспортных средств.
Преобразование постоянного тока в постоянный требуется от аккумуляторной батареи транспортного средства для поддержки нескольких низковольтных систем, таких как HVAC и гидроусилитель руля. Как и в случае с инвертором, силовые полупроводники на основе GaN могут повысить эффективность преобразования энергии на 50% и обеспечить снижение размеров и веса до 33%. Накопленное повышение эффективности и уменьшение размера и веса OBC, тяговых инверторов и систем постоянного / переменного тока в электромобиле помогает увеличить дальность движения с учетом текущих возможностей аккумуляторной батареи и большей эффективности агрегата.
Подсистемные преимущества GaN. В следующих примерах представлен обзор того, как GaN реализован в функциях трансмиссии электромобилей, а также преимущества эффективности и удельной мощности систем на основе GaN:
Бортовое зарядное устройство: силовые полупроводники GaN способствуют созданию более компактных силовых установок, открывая новый объем для других компонентов транспортных средств с интеграцией OBC.
Преобразователь постоянного / постоянного тока: преобразование энергии (например, 400 В в 12 В или 48 В в 12 В) от автомобильного аккумулятора необходимо для поддержки вспомогательных систем с низким напряжением. Диаграммы иллюстрируют типичную компоновку GaN и соответствующие преимущества в размере и эффективности.
Инвертор тяги: хотя силовая установка электромобиля (тяговый инвертор плюс электродвигатель) в пять раз более энергоэффективна, чем двигатели внутреннего сгорания, с меньшими затратами на техническое обслуживание и более длительным сроком службы, первоначальные затраты в среднем были в 2,5 раза выше. Технологические инновации в области материалов, магнетизма и электроники создают двигатели нового поколения, которые более энергоэффективны (меньше потери мощности из-за тепла), компактны и легче по весу. Силовые полупроводники на основе GaN являются ключом к эволюции тяговых инверторов, способных обеспечить увеличение мощности более чем на 70% по сравнению с инверторами, использующими традиционные IGBT.
Повышенная эффективность и уменьшенный размер и вес энергосистемы позволят электромобилям двигаться дальше даже без каких-либо изменений в текущих возможностях аккумуляторов. Сравнительные испытания, проведенные в 2020 году компанией GaN Systems в партнерстве с заказчиком, показали, что эффективность тягового инвертора на основе GaN значительно повышается за счет снижения потерь мощности на 50%, что приводит к экономии энергии аккумулятора и, в конечном итоге, к увеличению дальности движения.
Используя в качестве примера Tesla Model S (снаряженная масса: 2200 кг / 4850 фунтов; емкость аккумулятора: 75 кВтч; максимальная мощность инвертора: 200 кВт; аккумуляторные системы 400 В), пробег можно оценить на основе двух сценариев вождения. Один сценарий предполагает постоянную скорость 60 км / ч (37 миль в час), другой основан на ездовом цикле класса 3b Всемирной согласованной процедуры испытаний легковых автомобилей (WLTP). С инвертором на основе GaN дальность действия увеличивается на 6-10% по сравнению с традиционным тяговым инвертором Si IGBT.
Другая перспектива – снижение стоимости системы с помощью тягового инвертора на основе GaN. Благодаря энергосбережению и высокой эффективности емкость аккумулятора может быть уменьшена на тот же диапазон движения за один цикл зарядки. В прилагаемой таблице, полученной в результате тестирования 2020 года, сравниваются результаты ΔT между GaN и IGBT-транзисторами при различных мощных нагрузках. При более низкой ΔT (Tj-Tfluid) системе охлаждения (разница примерно 20 ° C) раствор GaN уменьшает объем системы охлаждения на 40%, что приводит к значительной экономии затрат. Кроме того, благодаря системе GaN, работающей при более низких температурах, повышается надежность и долговечность системы.
Сравнение GaN и SiC. Полевые транзисторы GaN – не единственная технология широкозонных транзисторов, выходящая за рамки кремния. Некоторые инженеры изучают возможность использования транзисторов SiC (карбид кремния). По сути, есть четыре препятствия, которые эти технологии должны преодолеть, чтобы быть принятыми: производительность, стоимость, производственная мощность – все более важный фактор, учитывая текущую глобальную нехватку микросхем – и надежность. По всем этим критериям GaN имеет преимущество. При сравнении электрических характеристик GaN в 2-10 раз лучше, чем SiC, что дает преимущества в производительности, указанные в таблице.
При сравнении стоимости GaN и SiC преимущество снова оказывается у GaN. Стоимость оценивается на уровне компонентов и системы. На системном уровне большая электроника на основе SiC приравнивается к большой системной упаковке и стоимости – большее количество тепла означает увеличение стоимости системы охлаждения. Свойства GaN позволяют системам достигать более высокой плотности мощности, чем с SiC, что приводит к более низким системным затратам с GaN.
На уровне компонентов легко доступны материалы GaN, в то время как SiC по своей природе дорог из-за стоимости изготовления подложки. В процессе GaN используется отработанный и недорогой процесс изготовления кремния с гораздо более высоким выходом, производимый на 6-дюймовых (152-мм) и 8-дюймовых пластинах. (203-мм) инструменты и пластины. Напротив, SiC имеет значительно более высокую стоимость сырья, ограниченные поставки, специализированные процессы и зрелость на гораздо меньших 4-дюймовых. Вафли, пока еще учусь на 6-в. Процессы.
Третья область сравнения технологий – надежность транзисторов. В этой метрике транзисторы GaN Systems разработаны в соответствии со стандартами надежности автомобилей, включая квалификацию AEC-Q101. Они доказали свою надежность в испытательной лаборатории, в системах трансмиссии и в гонках Формулы E. В результате FIT на срок службы <1, наравне с надежным кремнием. Высокая производительность GaN является результатом совместной работы заказчиков с целью определения строгого процесса тестирования AutoQual +. AutoQual + - это усовершенствованная последовательность испытаний AEC-Q, основанная на сотрудничестве компании с автомобильными партнерами, чтобы доказать, что срок службы ее транзисторов превышает рыночные требования. При таком подходе были реализованы режимы отказов устройств, дизайн испытаний транзисторов, процесс испытаний до отказа и усовершенствованные процессы аттестации продукции.
По мере расширения рынка электромобилей улучшенные характеристики силовой электроники за счет внедрения GaN-транзисторов могут обеспечить эффективность системы и удельную мощность, необходимые для достижения требуемых целевых размеров и дальности полета автомобиля.