汽车越智能,就越需要GaN

日期:2020-09-03

氮化镓有助于从内燃机向电动汽车和智能汽车的转变
作者:Alex LidowCEOEfficient Power Conversion
 
随着新的十年的到来,越来越清楚的是汽车的趋势是电动的。内燃机正在向混合动力和全电动汽车靠拢。伴随着推进力的重大转变,还有各种需要转换成电力的配件。此外,先进驾驶员辅助系统(ADAS)和集中信息娱乐和功能控制系统等新功能也在不断降低车辆的整体能耗的同时,增加了必须支持的电气负载。这就是GaN技术蓬勃发展的地方,因为它使系统变得更小、更轻、更高效、成本更低。
在这篇文章中,我们将讨论氮化镓技术推动汽车系统变革的四个应用。这些应用包括用于轻度混合动力汽车的48V配电总线、信息娱乐系统的高频DC-DC转换、无刷直流(BLDC)电机以及用于自主导航的光检测和测距(lidar)。
 
适用于轻度混合动力汽车的48 V电源母线
到2025年,全球每售出10辆车中就有一辆是48V轻度混合动力车。48V配电系统可提高燃油效率,在不增加发动机尺寸的情况下提供四倍的功率,并在不增加系统成本的情况下减少二氧化碳排放。双向转换器的功率范围从48V到3V,需要一个48V – 12 V的双向转换器,功率从1 kW到3. 5 kW。这些电力系统的设计重点是尺寸和成本,这两者都非常依赖于转换效率的提高。
对于48V总线系统,GaN技术提高了效率,缩小了尺寸,并降低了总体系统成本。例如,在具有多相buck/boost拓扑的3kW双向转换器中,基于GaN的解决方案可以在每相250kHz下有效地工作,而对于传统的MOSFET解决方案,则是每相125kHz。较高的频率允许使用较小的电感器值,2.2µH vs 4.7µH;并且,因此,电感器直流电阻(DCR)较小,0.7 mΩ对1.7 mΩ。所有这些减少都导致了GaN基方案更小的损耗和更小的尺寸。
此外,eGaN器件的效率提高还可以减少所需的负载点(POL)级的数量。例如,在3 kW转换器中,更高的频率和更高的效率导致使用汽车合格的EPC2206 eGaN®FET从五相MOSFET系统减少到基于四相GaN的系统,从而降低了尺寸和成本。如图1所示,基于GaN的解决方案比类似的基于MOSFET的系统小35%,成本低20%。
 

 
13kW 48V–12V DC-DC转换器的MOSFET解决方案(顶部)需要五个相位,而eGaN FET解决方案(底部)只有四个相位。eGaN FET解决方案体积小35%,成本低20%
 
与五相MOSFET方案相比,EPC GaN FET方案的效率也更高。图2中的图表显示了垂直轴上的效率与水平轴上的负载功率。图中显示,在满负载时,eGaN FET解决方案的效率比MOSFET解决方案高0.7%(功耗损失减少15%),在10%负载时效率提高5%(功耗降低30%)。这意味着在满负荷时可以减少21W的功率损耗。
 

图2:基于5相MOSFET的3 kW转换器(红色)与基于四相eGaN FET的解决方案(蓝色)的效率与负载功率的比较。在满负荷时,eGaN FET解决方案节省21 W,功率损耗降低15%。
 
信息娱乐
到2022年,全球车载信息娱乐系统的出货量预计将超过1.83亿台。现代信息娱乐系统包含许多高级功能,如触摸屏功能、可变控制台和内部照明、蓝牙通信、数字和高清电视、卫星广播、GPS导航、高级驾驶员辅助系统、强大的16扬声器D级音频,甚至游戏。
这些耗电系统对车辆整体动力系统提出了额外的需求。同时,仪表板显示器内部用于附加动力系统的空间有限,尽管所需的功率水平显著提高,但对额外发热的容忍度很低。
满足尺寸限制的一种方法是使用更高频率。GaN器件非常适合信息娱乐DC-DC转换器,因为它们可以有效地在2MHz频率下进行切换,这是避免干扰AM频段所需的频率。在硬开关应用中,例如低成本和高功率密度buck变换器拓扑,极低的栅漏电荷(QGD)和较低的开关损耗,与硅MOSFET解决方案相比,显著提高了效率和发热。
图3显示了基于MOSFET(红色)和GaN基(蓝色)的12 V – 3.3 V DC-DC降压转换器在2 MHz下的比较。效率反映在图形的左侧纵轴上,功率损耗在右侧垂直轴上,输出电流在水平轴上。12 V-3.3 V之间使用eGaN FET代替硅MOSFET。效率提高了近5%,节省了2 W,或降低了50%的功率损耗。此外,eGaN FET解决方案运行10℃冷却器。
 

3MOSFET基(红色)和GaN基(蓝色)12V–3.3V DC-DC降压转换器在2MHz下的比较。GaN基方案在10 A时比MOSFET方案损耗少2 W,损耗减少50%
 
无刷直流电动机
平均每辆车有10台电动马达,用于门锁、行李箱锁、伸缩式车顶、气泵、通风、电池管理、加热控制、电动转向等操作(见图4)。
 
 

 
4BLDC电机驱动在现代汽车中的典型应用,要求功率范围为30 W1 kW
 
在内燃机车中,汽车制造商使用三种不同类型的电动机:无刷直流电动机、有刷直流电动机和交流感应电动机。
无刷直流电动机有一个由绕线定子包围的永磁转子。定子中的绕组不用电刷就可以实现电子换向。这使得无刷直流电机的维护更简单,更耐用,更小,更节能,能够更快的响应和更高的运行速度,并且它们相当轻。无刷直流电机也不容易发生刷电机所经历的故障类型,从而降低保修成本。随着汽车转向48V总线架构,与刷式或交流感应式电机相比,无刷直流电机在30 W至1 kW之间的功率水平上变得更具吸引力。
eGaN器件为48 V汽车电机供电的价值在于,它们可以减小电机的尺寸和重量,在高于听觉频谱的频率下有效工作,具有更好的转矩和更高的效率。
在2020年3月,高效功率转换引入了EPC2152 ePower®级,该级具有单片集成的80 VIN半桥,包括驱动器、电平转换、同步引导电路和输入逻辑,非常适合于500 W以下的无刷直流电机。通过将多个功能集成到单个芯片上,一个完整的无刷直流驱动器只需三个ePower级IC,一个数字控制器,外加传感和滤波元件(见图5)。
 
 

 
5500W电机驱动解决方案在驱动高达500W的无刷直流
 
光探测和测距(Lidar
激光雷达遥感系统已经在军事、航空航天、机器人和气象应用中使用了几十年。最近,激光雷达迅速成为实现自动驾驶的关键技术。
激光雷达在自动驾驶车辆上迅速扩展的一个因素是商用的eGaN FET和集成电路的出现,使激光器能够用极短脉冲宽度的高电流脉冲驱动。对于直接飞行时间测量(DTOF),短脉冲宽度会导致更高的分辨率,更高的脉冲电流会迫使更多的光子从激光中释放出来,从而使激光雷达系统能够以更好的分辨率看到更远的地方。
这两个特点,短脉冲宽度和高脉冲电流力,以及极小尺寸,使eGaN FET成为激光雷达的理想选择。图6展示了长距离DTOF激光雷达的技术现状。此图显示了一个135 A的激光电流脉冲,脉冲宽度仅为2.5 ns。这种高电流和短脉冲宽度的组合使300米的能见度和厘米分辨率。
 

6:由 EPC2001C eGaN FET驱动的OSRAM SPL S4L90A_3 A01激光器输出的135 A激光电流脉冲,脉冲宽度仅为2.5ns
 
对于近距离高精度激光雷达的应用,间接飞行时间(ITOF)激光雷达可能是有吸引力的。通常被称为闪光激光雷达,它可以一次捕获整个百万像素的帧。这些激光雷达系统不需要长距离DTOF激光雷达的极高功率,但它们受益于极快的边缘和极高的脉冲重复频率。
图7显示了一个由eGaN FET产生的短程激光雷达脉冲的例子。当它打开时,FET关闭了。注意,10A脉冲的上升时间是556皮秒,下降时间是203皮秒。对于ITOF激光雷达系统,脉冲重复率可以高达100 MHz,因此纳秒脉冲宽度至关重要。
 
 

图7:传输10A脉冲的ITOF电路,上升时间为556皮秒,下降时间为203皮秒,可驱动脉冲速率大于100 MHz。
 
总结
在电子技术的推动下,汽车工业在许多方面正在经历一场复兴。汽车工业的首要目标是更安全的汽车、更好的乘客体验、更高的能效和更低的拥有成本。在这篇文章中,我们概述了GaN技术在所有这些类别中的四个重要帮助方式。
与硅相比,GaN技术是相对较新的技术,在其性能极限达到之前,技术发展仍然很快。氮化镓器件的效率越来越高,而集成刚刚开始走上在芯片上提供完整电源系统的旅程。
祝你旅途愉快!
 
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