盘点新能源汽车中的氮化镓和碳化硅应用.docx

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1、盘点新能源汽车中的氮化钱和碳化硅应用目录1 .前言12 .碳化硅的优势23 .GaN的优势34 .使用案例：主逆变器45 .氮化铢在低功率电动车中的应用55.1.概述55.2. 氮化钱更有潜力65.3. 氮化线在电动汽车中的应用65.4.氮化钱面临的问题61 .前言汽车设计的几乎每一个组成部分，包括底盘、动力总成、信息娱乐、连接和驾驶辅助系统（ADAS）,都在汽车领域经历着快速的发展和创新。设计人员正在寻求先进技术，通过从基于硅的解决方案转向使用宽禁带半导体材料（例如碳化硅（SiC）和氮化钱（GaN）的功率半导体技术来迈出下一步的创新，他们用于新能源电动汽车的功率密度更高、效率更高的电路。除了

2、高压电池（范围从400V到800V）和相关的电池管理系统之外，电动汽车至少包括四种用于能量转换的电子单元：1）车载充电器2DC-DC转换器3）通常从高压到12V4）用于为低压电子设备供电用于驱动通常为三相交流电机的电动机的直流-交流牵引逆变器，以及用于在制动能量0收期间以及从标准住宅或大功率充电站为车辆电池充电的AC-DC转换器。2 .碳化硅的优势作为WBG半导体，SiC提高了电子系统的功率密度，同时还降低了整体尺寸、重量和成本。由于其特性，碳化硅一直是电动汽车的技术加速器。由于其更宽的带隙、更强的击穿电场和更高的热导率，随着硅接近其理论极限，SiC在电力电子领域越来越受欢迎。碳化硅基MOSF

3、ET在损耗、开关频率和功率密度方面比硅基MOSFET更高效。当试图提高EV的效率和续航里程，同时降低其重量和价格以增加控制电子设备的功率密度时，出现了在EV中采用SiC的概念。由于SiC器件与常用硅相比具有多种理想品质，因此越来越多地用于对尺寸、重量和效率有严格要求的高压功率转换器。由于SiC的热导率比硅高近3倍，因此组件可以更快地散热。由于SiC器件，通态电阻和开关损耗也显着降低。这一点很重要，因为SiC比传统硅更有效地散热，随着硅基器件尺寸越来越小，从电转换过程中提取热量变得更具挑战性。表1显示了硅、SiC、GaAS和GaN之间一些相关特性的比较。需要说明的是，目前，4H-SiC是实际功率

4、器件制造中普遍优选的多晶型结构。不同直径的单晶4H-SiC晶圆可在市场上买到。表ISiC和其他材料的特性rogertieSi4H-SiCGaAsGaNCrysta1StructureDiamondHexagona1ZincNendeHexagona1EnergyGap:EG(eV)1.123.261.433.5E1ectronMobi1ity:n(cm2Vs)140090085001250Ho1eMobi1ity:p(cm2Vs)600100400200BreakdownFie1d:Eb(Vcm)X100.330.43Therma1Conductivity(WcmcC)1.54.90.51.3

5、SaturationDriftVe1ocity:v1(cms)X10?12.722.7Re1ativeDie1ectricConstamt:S139.712.89.5p.nContro1000Therma1Oxide00XX对于电动汽车，牵引逆变器可以节省最多的电能，其中SiCFET可以取代绝缘栅双极晶体管(IGBT),从而显着提高效率。由于电机是磁性元件，其尺寸不会随着逆变器开关频率的升高而直接减小，因此开关频率保持在较低水平一通常为8kHzo典型牵引逆变器的电路如图1所示，包括三个半桥元件（高侧和低侧开关每个电机相一个开关一一栅极驱动器控制每个晶体管的低侧开关。对于一个长期以来，这种拓扑结

6、构一直基于分立式或功率模块IGBT以及续流二极管。如今，6个并联的低RDS（ON）SiCFET在20OkW输出时效率超过99%,可能会取代IGBT及其并联二极管，从而将功率损耗降低3倍。在车辆使用更频繁的较轻负载下，这种改进甚至更好，损耗比IGBT技术低5至6倍，并且具有更低的栅极驱动功率和无“拐点电压的好处，可以在轻负载时更好地控制。更低的损耗意味着更小、更轻、更便宜的散热器，以及更远的射程。3 由于SiC较高的缺陷密度和衬底（晶圆）制造方法，它仍然比硅贵得多。然而，芯片制造商已经能够通过使用大量基板和降低故障密度来降低总体生产成本。4 .GaN的优势另一种比硅高近3倍的WBG材料是GaNo

7、宽带隙意味着需要更大的功率来激发半导体导带中的价电子。由于这一特性，氮化钱不能用于超低电压应用，但它具有允许更高击穿电压和更高热稳定性的优势。氮化钱可显着提高功率转换级的效率，使其成为制造肖特基二极管、功率MOSFET和高效电压转换器的理想硅替代品。与硅相比，WBG材料还具有显着优势，包括更高的能效、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总成本。SiC可以在高功率和超高电压(超过650V)应用中与IGBT晶体管竞争，而GaN可以在电压高达650V的电源应用中与电流MOSFET和超结(SJ)MoSFET竞争。氮化钱FET可以在100Vns下切换并具有零反向恢复。因此，它们的开关功率损耗非常低。对于需要M

8、HZ范围内开关频率的应用，GaN可能是最佳选择。在电动汽车中，GaNFET非常适合：在电动汽车中，氮化钱场效应晶体管非常适用于。AC-DCOBCo高压(HV)到低压(1V)的直流-直流转换器，以及低电压DC-DC转换器。氮化钱的栅极和输出电荷比类似的硅器件低，这是它的优点之一。基于氮化钱的设计现在可以实现大幅加快的开启和回转速度，同时也能最大限度地减少损失。因此，基于氮化钱的逆变器减少了开关损耗，以及大功率应用中的传导损耗。在电动车中，这种效率的提高直接转化为更长的续航能力，或与较小的电池相当的续航能力。5 .使用案例：主逆变器电动汽车动力系统的牵引逆变器将电池的直流电转化为交流电，以驱动电机

9、。牵引变频器的效率必须提高，以实现。在电池成本不变的情况下，实现更长的续航里程，减少充电周期，延长电池寿命。或者，使用更小和更低成本的电池来实现相同的范围。效率、功率密度和冷却要求都在很大程度上取决于用于电动汽车牵引逆变器的半导体。现代电动车中的三相交流电机的开关频率高达20kHz,电压高达1,OOOVo这与硅基MOSFET和IGBT的操作极限相当接近。如果没有可观的技术进步，硅基MOSFET和IGBT将很难满足下一代电动汽车更严格的操作规范。这些限制是由硅半导体的物理限制和器件本身的设计造成的。大型IGBT和MOSFET很难在高频率下进行开关，并且由于它们从ON状态逐渐过渡到OFF状态而承受

10、开关损耗。尽管逆变器在更高的工作频率下更有效，但这些改进很快就被器件固有的开关损耗所抵消。止匕外，变频器的工作频率有一个极限，由于器件的开关时间过长，超过这个极限就无法运行。氮化钱和碳化硅技术可以很好地相互补充，并将继续使用。氮化钱器件在几十伏到几百伏的应用中工作良好，而碳化硅更适合于大约1到许多千伏的电源电压。它们目前覆盖了不同的电压范围。氮化钱的开关损耗在中、低压应用中（低于1200V）比SiC在650V时至少少3倍。碳化硅在一些产品中可提供650V的电压，但它通常是为1200V或更高电压而制造的。从系统的角度来看，氮化钱的好处来自于尺寸、重量和成本的减少，其中包括BOM成本（其他系统元件

11、如电容、散热器和电感器的价格）、消耗成本和冷却成本。例如，将一个电源的电源从硅换成GaN可以减少变压器等磁性元件的尺寸。所有这些都是可能的，同时获得更高的效率、更高的功率密度，甚至可能两者兼得。硅在650V以下仍有竞争力。然而，在更高的电压下，SiC和GaN允许有效的高频和大电流操作。所有的器件都适用于400V的电动车母线电压，而650V左右是硅、SiC和GaN之间的主要冲突发生的地方。虽然GaN的发展不如SiC,但许多专家都认为它在汽车行业有着巨大的前景。6 .氮化钱在低功率电动车中的应用5.1.概述虽然氮化钱（GaN）半导体在汽车应用中仍处于早期阶段，它正迅速进入更高电压领域。考虑到其高功

12、率密度和效率，氮化钱技术正逐渐在汽车工业中获得吸引力。适用于低压和高压应用，它能应用于各种汽车系统。GaN有潜力大幅提高整体效率，我们预计，它会对汽车工业产生显著影响。IDTechEx公司的研究人员1ukeGear和JameSEdmOndSon在最近的一份关于电动汽车电力电子设备的报告中预测：“未来10年内，EV功率电子设备的需求将激增，主要由电池电动汽车(BEV)市场的快速增长推动，预计在未来十年内，总体复合年增长率为15%。”报告指出，由于宽禁带(WBG)功率电子设备的高压时代已经来临，驱动器的效率必须成为动力总成设计的首要任务。5.2.氮化锡更有潜力对于任何新技术，往往会有许多人没有充分

13、了解。比如，IDTeChEX公司的Gear说：“有一个误解是，人们认为只有碳化硅是适合高压或功率应用的WBG材料。然而，从理论上讲，氮化钱具有更大的潜力，尽管通常只被视为用于电信或光电子学。事实上，氮化钱的热导率是硅的两倍，几乎每一个度量都超过了碳化硅，从电子移动性、效率到击穿电压和效率，这些对电动汽车来说非常重要。”5.3.氮化铉在电动汽车中的应用然而硅并未过时，而GaN和硅碳化物(Sie)也并非未来电力的唯一主角。应用规格将继续决定所使用的半导体材料，硅的价格和可靠性将继续适用于从15V到650V的器件。但氮化钱是硅在低功率应用中唯一可行的WBG替代材料，将会有更多的氮化钱器件被推出，带来

14、效率的提升。在与电动车动力续航无直接联系的设备，如：电源适配器(OBCS)和DC-DC转换器，都在低功率1-22kW之间运行。虽然它们在车辆行驶过程中并不直接贡献动力，但GaN等WBG解决方案可以有效提高总体功率密度和效率，并快速给电池充电。接下来，车联网(V2x)所有接口有可能将电动车电力带给家庭和其他车辆。NaVitaS的EV设计中心平台包括一个6.6kW的“三合一”设计，将双向OBC和DC-DC功能合并，实现了能源节约的17%和功率密度提升1.6倍。5.4.氮化钱面临的问题GaN面临的主要挑战包括成本、标准化、供应链以及新技术的特性。ST的代表们指出，尽管他们对长期前景感到乐观，但GaN仍然面临着广泛应用于电动汽车的挑战。ST还指出集成问题和与热管理和电压尖峰有关的可靠性等待验证。总的来说，设计工程师对这些优点愈发了解，但同时，创建高效可靠的电动车系统面临的挑战也不少。然而，关于GaN的理解却存在许多误解。这是WBG技术尤其是电动车领域的公司所坚持的一致信息。虽然可能在产品推出阶段还很早，但在规划，准备和进入这个领域方面却并不早。如果你想在GaN领域保持相关性，那么最好早做准备。