TI独特、高度集成的氮化镓(GaN)解决方案全面覆盖从入门级到高级的电动和混合动力汽车,让充电速度更快、行驶距离更远、受益人群范围更广。

2020年12月13日
 

当我们为电动汽车(EV)电源管理技术发明更高效的集成电路,我们的客户就可以设计出更高效、更经济实用的汽车,进而减少废气排放,保护环境。

 

许多驾驶员因里程焦虑、担心找不到可以长时间停车的充电站而犹豫是否购买电动或混合动力汽车。

 

但电源管理方面的创新正在解决他们的犹豫。

与传统硅基充电技术的汽车系统相比,结合了最新TI GaN电源管理技术的电动和混动汽车(HEV)充电速度更快,行驶距离更远。让汽车制造商更广泛地普及电动/混动汽车是改善气候和空气质量的重要一步。

TI高压电源解决方案副总裁Steve Lambouses表示:“我们的客户正在寻找在不大幅增加车辆重量或成本的前提下增加功率的方法。TI高度集成的GaN解决方案使汽车设计师能够开发出更可靠、更经济实用、更高效的充电系统。这是从根本上革新充电系统。”

可靠的电源管理技术

GaN是一种用途广泛的半导体材料,可承受高温和高压。这一点是诸如发光二极管、太阳能逆变器和可再生能源存储系统等功率管理应用的关键考量因素。在过去十年中,TI GaN已为各类通信和工业设计有效供电,每款新产品都达到了新的功率密度和效率水平。

目前,TI凭借首款汽车级产品为车载充电系统供电,将GaN的优势展现给汽车市场。

对于混动/电动汽车,TI GaN为制造商提供了优于传统硅或新碳化硅(SiC)技术的优势。传统技术在充电过程中会产生大量热量,在增加充电时间的同时放出能量。与金属氧化物硅(MOSFET)相比,可快速切换的集成栅极驱动器可实现功率输出和功率密度的翻倍,设计人员能够进一步优化车载充电体系结构的设计。

TI电动汽车/ HEV电池汽车产品业务开发和功能安全总监Ivo Marocco称:“高效的电源管理后续需要关注三件事。首先,需要精确充电。其次,电池系统需要更高的安全性。第三,经济实用性是关键。锂电池占到汽车成本的30%,而GaN基解决方案可以减少50%的功耗,从而提供更有效的方法。TI GaN技术可以解决所有这些问题。”

更快、更小、更可靠的电源管理

从小型手持式消费类设备和笔记本电脑到大型数据中心,科技不断进步,电源管理也变的尤为重要——电动汽车也不例外。随着时间的推移,虽然诸如绝缘栅双极晶体管和金属氧化物半导体场效应晶体管之类的较早的功率开关技术表现良好,但设计人员仍受限于尺寸、散热、延迟、开关速度等问题。

所有电源管理都涉及开关——接通和关断电流。开关效率低下会导致功率损耗,这就需要更充足的电源供给和充电时间来补偿损耗。快速、精确的开关技术可产生更无缝高效的能量流,进而减少系统尺寸,并缩减成本。

Steve称:“GaN快速的开关速度提高了效率,从而减轻了汽车冷却的负担。电源磁性器件的尺寸减小了约60%,GaN的高效降低了系统成本并提高了整体功率密度。最终的成果体现在车辆的减重以及增加的续驶里程上。这就是GaN基电源管理系统的优点。” 

混动/电动汽车工程师能够通过GaN实现比现有解决方案加倍的功率密度、更快的电池充电速度、更稳定可靠的运行以及更高的车载充电系统效率。

Ivo称:“GaN已推出一段时间了,大家都了解其优点。但现在它已从汽车领域理论转变为实际应用,十分令人兴奋。”

TI高度集成的GaN解决方案可优化成本和功耗

TI GaN的创新远远超出了普通开关。它为客户提供了能够创建GaN基车载充电系统的全套功能,这也将成为混动/电动汽车市场向前发展的重要一步。

我们利用汽车专业知识将TI 硅基氮化镓(GaN-on-silicon)FET和快速切换的2.2MHz硅栅极驱动器共同封装。在单个芯片中集成了开关、控制器和保护技术,为客户提供了一种将所有部件整合在一起的简便方法。

Steve称:“就像是将大脑和肌肉结合在一起。开关是肌肉,但集成了控制器的TI GaN就像大脑一样智能,能让开发人员从我们的解决方案中获得最高性能。”

GaN进行测试

由于GaN和其他宽带隙晶体管在结构和材料上与硅设备有所差异,它们需要专门定制的测试指南以确保设备的可靠性。测试指南对于增强人们对GaN可靠性的信心以及推进其在整个行业的应用至关重要。

TI与合作伙伴共同创立了JEDEC的JC-70宽带隙功率电子转换半导体委员会,旨在为工程师提供有效指导,帮助他们创造可靠设计。委员会近期宣布了专门针对GaN的新开关指南——JEP180:氮化镓功率转换设备的开关可靠性评估程序指南。

TI GaN技术创新架构师Stephanie Watts Butler博士称:“这项新指南为工程师提供了对开关行为的可靠评估,将进一步加速GaN在整个行业的普及,尤其是在效率、功率密度和可靠性至关重要的汽车和工业市场中。

过去十年中,我们的内部可靠性实验室对GaN性能进行了超过4,000万小时的设备可靠性测试和超过5 GWh的功率转换应用测试,以确保设备的长期可靠性。

Steve称:“GaN就像是一款精密的瑞士手表。它可以进行非常精确的调整,并且我们知道如何将其调整至最佳性能。我们的测试实验室为我们提供了答案。”

更环保、更安全、更智能的交通世界

汽车行业正在见证混动/电动汽车销量的快速增长——同比增长近60%。预计到2025年,目前的560万辆汽车会增长至占全球汽车销量的30%的庞大数量。美国现有的约25,000个充电站网络预计也会大幅扩张。

Steve称:“我们的GaN电源管理技术为汽车设计工程师和汽车制造商提供了一个大幅减少车辆充电时间、增加功率密度、提高成本效率、增加行驶里程和提高可靠性的机会。混动/电动汽车的应用阻碍将会减少,人们能够更加齐心协力地创造一个更清洁、更环保的星球。”

我们保持激情,致力于创造一个更美好的世界

为电动和混动汽车的车载充电系统开发高度集成的GaN技术是一个很好的例子,展现了TI创新者对公司使命愿景——通过半导体技术降低电子产品成本,让世界变得更美好——的践行。每一代创新都建立在上一代创新的基础之上,使我们的技术变得更小巧、更高效、更可靠、更实惠,从而开拓了新市场并实现半导体在电子产品领域的广泛应用。在TI,我们将其视为工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。 

  1. https://www.jpmorgan.com/insights/research/electric-vehicles