Нитрид галлия (GaN) – это развивающаяся технология, трансформирующая конструкции аккумуляторной электротяги инверторов благодаря своей замечательной производительности по сравнению с традиционными кремниевыми и альтернативными материалами из SiC.
Разработчики электромобилей стремятся сделать их легче, автономнее и с аккумуляторными батареями меньшего размера за счет увеличения мощности, уменьшения размера системы и минимизации тепловыделения.
Автомобильные силовые устройства на основе нитрида галлия, обеспечивающие значительные достижения в области преобразования энергии, высокочастотной коммутации и терморегулирования, повышают эффективность, экологичность и доступность электромобилей по цене. Они изготавливаются таким образом, чтобы быть устойчивыми к вибрации, высоким температурам и другим воздействиям окружающей среды, что позволяет создавать более компактные конструкции силовых агрегатов и более легкие транспортные средства.
Возможности GaN по управлению теплом снижают потребность в громоздких радиаторах и системах охлаждения, что приводит к снижению веса автомобиля. Кроме того, на протяжении всего срока службы электромобилей силовые устройства из GaN являются высокоэффективными с точки зрения затрат благодаря снижению потерь электроэнергии, повышению эффективности системы и уменьшению габаритов. А электромобили становятся экологически чистыми за счет сокращения выбросов углекислого газа, благодаря их повышенной энергоэффективности.
Инверторы из GaN
Инверторы являются ключевым компонентом электромобилей, преобразующим энергию постоянного тока от аккумулятора в переменный ток для приведения в действие двигателя. Устройства из нитрида галлия позволяют создавать более компактные, легкие и эффективные инверторы, которые непосредственно способствуют увеличению дальности действия и производительности электромобилей.
Благодаря инверторам из GaN достигается эффективное использование энергии аккумулятора, что приводит к увеличению временных промежутков между зарядками.
Трехфазный инвертор из GaN напряжением 400 В
Тяговые инверторы с питанием от 400-вольтовой аккумуляторной батареи обеспечивают повышенную эффективность и удельную мощность при одновременном снижении потерь энергии, размера и веса. В результате удовлетворяются основные требования потребителей, что позволяет получать электромобили с меньшими затратами и большей автономностью.
На рисунке 1 показан эталонный вариант трехфазного инвертора из GaN, разработанный с напряжением на шине 400 В и среднеквадратичным током 400 А.
Для достижения равномерного распределения тока и плавной формы сигнала 4 матрицы излучателей приводятся в действие параллельно, что приводит к низким напряжениям перегрузки затвора и стока.
Паразитные сигналы и скачки напряжения, вызванные высокоскоростным переключением, контролируются зажимом Миллера. Повышенная температура в результате работы приводит к снижению порогового напряжения выключателя питания, а индуцированный ток Миллера в сочетании с паразитной индуктивностью может привести к случайной зарядке и включению выключателя питания. Ток Миллера может поднять напряжение на затворе до порогового значения или выше него, что приведет к непреднамеренному включению выключателя, который должен быть выключен. Это случайное включение может привести к прострелу цепи с повреждением силового каскада и полному выходу системы из строя.
Чтобы избежать колебаний при обратной проводимости по тому же каналу из-за отсутствия диода в корпусе из GaN, требуется настройка с помощью внешних конденсаторов.
Эффективность конструкции инвертора в основном основана на потерях при переключении, в чем проявляется значительное преимущество GaN перед SiC.
Рис. 1: Трехфазный инвертор из GaN (400-V 400-A)
Трехфазный GaN-инвертор напряжением 800 В
В инверторах аккумуляторов для устройств на электрической тяге напряжением 800 В трехуровневая топология GaN обеспечивает множество преимуществ, а именно:
• Эффективность инвертора повышается за счет минимизации коммутационных и высокочастотных потерь в фильтрах и двигателях по сравнению с двухуровневыми решениями.
• Шум, резкость и электромагнитные помехи снижаются за счет создания синусоидального выходного напряжения, что снижает требования к фильтрации.
• Схема работает более плавно и стабильно, увеличивая срок службы благодаря уменьшению скачков синфазного напряжения и нагрузки на подшипники электродвигателя.
На рисунке 2 показан разработанный эталонный трехфазный инвертор из GaN с входным напряжением постоянного тока до 800 В и среднеквадратичным током на выходе до 100 А при номинальной мощности 100 кВт.
Устройства VisIC V22TC65S1A1 из GaN улучшают трехуровневые инверторные системы для электродвигателей напряжением 800 В за счет уменьшения пульсаций фазного тока и повышения эффективности рабочего цикла. В конструкции каждого коммутатора параллельно используются два устройства V22TC65S1A1.
Наиболее существенным преимуществом трехуровневой топологии по сравнению со стандартным двухуровневым подходом является снижение общих потерь при переключении.
Для оптимального отвода тепла используется изолированный корпус SMT с верхним охлаждением, способный выдерживать фазный ток на выходе до 100 Вт.
Устройство может работать как трехуровневый инвертор с разомкнутым контуром, так и в многоимпульсной конфигурации. Эффективность значительно повышается за счет использования переключателя питания серии D3, достигающего максимального значения в 99,3% при частоте переключения 40 кГц. В это устройство встроен боковой силовой транзистор из GaN высокой плотности в обычно выключаемом устройстве с чрезвычайно низким сопротивлением при включении и исключительно эффективной коммутацией. В него встроены функции безопасности, обеспечивающие безопасную работу во время запуска и выключения системы.
Габаритные размеры устройства с радиатором жидкостного охлаждения составляют 26,9 × 21,4 × 3,5 см. Удельная мощность составляет 50 кВт/л, включая жидкостное охлаждение. Общий вес составляет около 2,5 кг.
С помощью тепловизионной камеры можно измерить температуру переключателей на печатной плате.
Рис. 2: трехфазный инвертор из GaN напряжением 800 В мощностью 100 кВт
Дополнительные системные модули
Устройства из GaN обеспечивают более быструю зарядку за счет повышения эффективности преобразования энергии и снижения потерь энергии в процессе зарядки, что повышает удобство и привлекательность электромобилей для потребителей. Они подходят для жилых и коммерческих зарядных станций, так как могут поддерживать более высокие уровни напряжения и обеспечивают лучшую масштабируемость.
Функция преобразователей постоянного тока заключается в управлении распределением энергии между высоковольтным аккумуляторным блоком и низковольтными системами, состоящими из освещения автомобиля, информационно-развлекательной системы и системы кондиционирования воздуха.
Новшества, достигнутые с использованием кремния, продемонстрированы в автомобиле, изготовленном командами Toyota и Университета Нагои с использованием компонентов из GaN. Эта технология применяется в тяговом инверторе, бортовом зарядном устройстве и преобразователе постоянного тока, что повышает удельную мощность и КПД и, таким образом, расширяет ассортимент автомобиля.
Тяговые преобразователи напряжением 400 В и 800 В быстро повышают свою производительность и КПД благодаря внедрению технологии GaN, что дает убедительные результаты, которые позволят им управлять развитием электронных транспортных средств.