新世代電力電子實現高效電動車
作者 : Abhishek Jadhav
高效率和高可靠性是促進電力電子系統分析和設計的兩個關鍵特性...
在不斷發展的電力電子半導體元件市場中，越來越多的研究計畫旨在解決無損耗和實現近乎完美的可靠性等複雜問題。高效率和高可靠性是促進電力電子系統分析和設計的兩個關鍵特性。為了盡可能較少採用特殊功率半導體類型設計硬體裝置，選擇合適的功率半導體正成為更複雜的任務。
碳化矽(SiC)現在已經成為矽基電子元件的一個替代品，主要是因為寬能隙(WBG)應用。SiC具有更高的電源效率、更小的尺寸、更輕的重量和更低的系統總成本等綜合特性。在過去的十年中，SiC已經成為部署至先進電源系統應用時更具潛力的半導體材料。該材料已在柴油引擎、電子電路和高溫轉換系統中得到應用。
當談到永續發展的未來，製造商和設計師一直在為先進的電力電子系統尋找環保材料。即使在這個令人擔憂的領域，SiC也是可持續能源未來的關鍵，因為它為資料中心電源、風能和太陽能模組，甚至電動車驅動轉換器中使用的裝置提供了所有必需的有利條件。SiC具有更高的功率變換效率，可承受高電壓和電流，並可在更高的溫度下工作。
SiC驅動電動車的未來
SiC正在被積極的研究和開發，從而成為一種更可靠、更穩定可靠的材料，來滿足電力應用持續的需求和成長。意法半導體(STMicroelectronics)正在致力於開發SiC產品，以符合純電動車應用、太陽能逆變器、儲能、工業馬達驅動器和電源的可靠性、性能和效率提升的最高標準。總之，該公司更專注於為電動車產業提供優質的電力電子設備。
SiC的工業應用。
去年，意法半導體推出了第三代STPower SiC MOSFET，作為其最先進的電動車動力傳動系功率元件。當電動車製造商採用800V驅動系統來實現更快的充電速度和減輕電動車重量時，意法半導體的新型SiC元件針對這些高階車輛應用進行了最佳化，例如電動車牽引逆變器、車載充電器和DC/DC轉換器。
「我們將繼續透過元件和封裝層面的創新，推動這項激動人心的技術向前發展。」 意法半導體汽車和離散元件產品部副總裁兼功率電晶體事業部總經理Edoardo Merli表示，「作為一家全盤掌控供應鏈的SiC產品製造商，我們能夠為客戶提供性能持續改進的產品，在不斷地投資推進汽車和工業計劃，預計2024年意法半導體SiC營收將達到10億美元。」
另一家名列前茅的製造商是安森美半導體(Onsemi)，它也一直致力於推出用於車載充電器的基於SiC的汽車級功率模組。這些功率元件使用轉模封裝來提高效率和縮短所有類型電動車的充電時間，同時也是專為高功率車載充電器而設計的。當onsemi的模組結合了一流的熱阻和高壓隔離表現出低傳導和開關損耗，成為電動車製造商的理想選擇。
氮化鎵電動車功率元件
氮化鎵(GaN)技術有助於讓純電動車和混合動力車的充電更快、行駛距離更遠。GaN是一種多功能半導體材料，具有在高溫和高壓下運行的能力，這是電源管理應用的一個關鍵問題。GaN讓汽車製造商能夠為電動車的車載充電系統實現更可靠的操作。
德州儀器(TI)是GaN產品的主要供應商之一，其GaN系列產品能有效地讓汽車產業達到功率密度的新階段。TI的GaN技術優於SiC，可在充電過程中會產生大量熱量並增加充電時間。TI的GaN技術具有快速的開關速度來提高效率，從而減輕了電動車冷卻系統的負擔。因為電源周圍密集的磁性變小了，這進一步降低了整體系統成本並增加了功率密度。最終的結果是GaN減輕了電動車的重量，並增加了車輛的行駛里程，成為另一種有前途的電源管理系統半導體材料。
電動車正在充電站進行充電。
「我們的客戶正在尋找提高功率但天不至於大幅增加車輛重量或成本的方法，」TI高壓電源解決方案副總裁Steve Lambouses表示，「TI高度整合的GaN解決方案使汽車設計師能夠開發出更可靠、更經濟實用也更高效的充電系統。」
意法半導體也為GaN技術的擴展和研發做出了貢獻，其廣泛的產品針對從電源和配接器到功率因數校正和DC/DC轉換器的應用。意法半導體啟動了一項基於GaN技術的全新智慧電源計畫：STi2GaN，這是一種基於寬能隙半導體的可持續電源系統解決方案。STi2GaN是基於GaN的產品系列，讓工程師能夠獲得大多數具有更高整合度和性能的新半導體材料。結合這些優勢，製造商可為各種電源應用提供服務，這些應用將受益於更小的尺寸、更高的性能和更低的成本。
結論
電力電子設計人員正期待突破性技術來重新設計電路，並提高能量轉換系統的效率。SiC和GaN符合這些要求和期望，並成為電力電子設計最有前景的備選技術。SiC元件已部署在電動車內部的電源系統中，從而顯著的提高了充電站的效率。它們為電動車提供了多項優勢，例如超過600公里的行駛里程、重量比普通電動車輕150至200公斤、充電站提供的能量增加一倍，以及因壓力降低而延長的電池壽命。
開發整合GaN技術是半導體電子元件製造商如何為安全和可持續未來進行創新的一個例子。隨著每一代半導體材料的出現，這些公司正以過去的技術為基礎，以實現更高效、更可靠、更具性價比的突破。永續發展的未來掌握在電動車的半導體功率元件中。
編譯：Ricardo Xie
(參考原文：An Overview of Power Electronics in EVs，by Gina Roos)
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