Компания Changan Automobile представила первое в мире коммерческое бортовое зарядное устройство на основе нитрида галлия (GaN), интегрированное в недавно выпущенный электромобиль Qiyuan E07. Китайский автопроизводитель, один из старейших в стране, внедрил мощные зарядные устройства на базе GaN от Navitas Semiconductor для повышения плотности мощности и эффективности системы зарядки автомобиля.
Changan Qiyuan E07, построенный на платформе SDA от Changan, представляет собой оригинальный электрический гибридный внедорожник-пикап. Он оснащен одно- и двухмоторными системами, работающими от трехкомпонентных литиевых батарей. В то время как версия с двумя двигателями развивает мощность 598 л.с. (440 кВт) и скорость 210 км/ч, версия с одним двигателем развивает мощность 343 л.с. (252 кВт). Подробности о емкости аккумулятора и запасе хода пока неизвестны.
Автомобиль, оснащенный передовым лазерным радаром и камерами, обеспечивает высокий уровень помощи водителю. Его отличительной особенностью является поддержка связи с низкоорбитальными спутниковыми группировками, обеспечивающая непрерывный доступ в Интернет.
Компания Changan утверждает, что бортовое зарядное устройство на базе GaN работает с эффективностью зарядки и разрядки 96% и имеет удельную мощность 6 кВт на литр. Компания также прогнозирует, что более высокая эффективность может увеличить срок службы аккумулятора автомобиля примерно на 10,000 километров. В качестве еще одного важного фактора Changan также подчеркивает возможное снижение затрат. По данным компании, пользователи автомобиля могут рассчитывать на снижение затрат на зарядку на 15-20% в течение срока его службы по сравнению со стандартными решениями бортовых устройств зарядки.
 |
|
| Рисунок 1. | Компания Changan Automobile демонстрирует первое в мире внедрение системы бортового зарядного устройства на базе GaN с использованием технологии Navitas GaNSafe при запуске электромобиля Quyuan E07. |
Поскольку технология GaN позволяет создавать компактные, легкие и высокоэффективные конструкции, ее применение в электронной силовой электронике набирает обороты. Уменьшенные потери на переключение транзисторов GaN по сравнению с обычными компонентами на основе кремния помогают повысить общие характеристики системы. В то время как бортовые зарядные устройства на базе GaN находились в стадии разработки, коммерческая интеграция Changan знаменует собой поворотный момент в автомобильной промышленности.
Это изменение соответствует общим тенденциям отрасли, направленным на создание систем преобразования энергии в электромобилях меньшего размера и повышение КПД. Ожидается, что технология GaN станет более важной в конструкциях электромобилей следующего поколения, поскольку производители стремятся максимально увеличить потребление энергии и инфраструктуру зарядки (Рисунки 1 и 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Бортовое зарядное устройство на базе GaN от Changhan, использующее мощный GaNSafe от Navitas, достигает 6 кВт/л при 96% эффективности преобразования постоянного тока. |
Технология Navitas
Хотя полевые транзисторы из GaN имеют затворы с довольно низким напряжением пробоя, интеграция оптимального драйвера затвора в одном корпусе помогает уменьшить эту уязвимость. Микросхемы из GaN обеспечивают надлежащее управление затвором, предотвращая его повреждение и повышая надежность.
Микросхемы питания GaNSafe от Navitas демонстрируют эту стратегию, поскольку они обеспечивают высокую эффективность в сложных условиях эксплуатации с высокими температурами и длительным временем работы. Эти микросхемы четвертого поколения на базе GaN, способные непрерывно работать при напряжении 650 В и выдерживать пиковое напряжение 800 В, оснащены системой управления драйвером затвора (с нулевой индуктивностью цепи затвор-исток), датчиками и критически важными функциями защиты, что делает их самыми безопасными в отрасли устройствами питания на базе GaN.
GaNSafe позволяет изменять скорости включения и выключения и скорость нарастания напряжения для повышения соответствия нормам электромагнитных помех. Встроенные элементы безопасности включают сверхбыструю защиту от короткого замыкания (в пределах 50 нс), переключение на частоте 2 МГц и защиту от электростатического разряда напряжением 2 кВ, которые отсутствуют в дискретных GaN-транзисторах.
Микросхемы GaNSafe обеспечивают хорошие тепловые характеристики благодаря использованию корпусов TOLL (RSS(ON) = 35-98 мОм) и TOLT (RSS(ON) = 25-98 мОм). Благодаря верхнему охлаждению в корпусе TOLT предусмотрен отвод тепла, что позволяет использовать устройства с высоким током и оптимизировать управление температурой (Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | Технология GaNSafe. |
GaN для электромобилей: повышение эффективности и дальности поездок
Нитрид галлия (GaN), являющийся основным материалом полупроводников с широкой запрещенной зоной для электромобилей, обеспечивает более высокую эффективность, удельную мощность и термическую стабильность, чем обычная силовая электроника на основе кремния. Эти преимущества помогают снизить вес системы, повысить общий КПД и увеличить пробег электромобилей без подзарядки.
Способность GaN работать на более высоких частотах переключения при меньших потерях мощности делает его подходящим для таких важных приложений в электромобилях, как бортовые зарядные устройства, низковольтные преобразователи и силовые агрегаты. GaN позволяет повысить КПД и удельную мощность систем бортовых зарядных устройств, что снижает их габариты и время зарядки. GaN обеспечивает компактные и высокопроизводительные решения с низкими энергопотерями в высоковольтных преобразователях постоянного тока.
В то время как SiC доминирует в системах большой мощности, таких как тяговые инверторы (системы напряжением 800 В), он может эффективно конкурировать в автомобильных системах средней мощности, особенно в системах напряжением 48-400 В. В настоящее время наиболее широко применяется технология GaN-on-Si, поскольку промышленность переходит с 6-дюймовых на 8-дюймовые пластины для повышения масштабируемости производства. Однако необходимо решить такие проблемы, как деформация пластин и дефекты эпитаксии на 8-дюймовых пластинах.
Важной тенденцией в разработке электромобилей является интеграция систем силовых агрегатов на базе GaN, которые снижают вес и повышают эффективность за счет устранения дублирующегося оборудования. GaN подходит для преобразователей постоянного тока с высокой скоростью переключения, нулевым временем обратного восстановления и возможностью переключения со скоростью более 100 В/нс. Растущая экономия за счет масштабирования и тщательные испытания на надежность по мере развития автомобильной технологии GaN помогут еще больше повысить уровень признания материала.
Роль бортового зарядного устройства в зарядке электромобилей и их внедрении
Время зарядки электромобилей зависит не только от придорожной зарядной инфраструктуры, но и от возможностей бортового зарядного устройства автомобиля. Достижения в области материалов с широкой запрещенной зоной позволили значительно повысить скорость зарядки: дорожные зарядные устройства перешли от медленного уровня 1 (3.3 кВт) к сверхбыстрому зарядному устройству постоянного тока (до 350 кВт). Для высоковольтных систем (до 1250 В по стандартам зарядных систем большой мощности) требуются устройства питания напряжением 2300 В, при этом ключевым фактором становится карбид кремния (SiC).
Однако эффективная зарядка также зависит от бортового зарядного устройства, которое преобразует переменный ток в высоковольтный постоянный для хранения в батарее. В то время как для систем с аккумуляторами напряжением 800 В требуются устройства SiC напряжением 1200 В, нитрид галлия (GaN) хорошо подходит для бортовых зарядных устройств в системах напряжением до 650 В. Такие компании как Navitas продвигают технологию бортовых зарядных устройств на основе GaN с полностью интегрированными функциями коммутации и управления, повышая КПД и сокращая количество компонентов.
Несмотря на быстрое внедрение электромобилей, расширение инфраструктуры для зарядки по-прежнему сопряжено с трудностями. Исследования показывают, что «беспокойство по поводу зарядки», а не ограничения диапазона, снижает доверие потребителей. Электромобили должны иметь запас хода в 350 миль и 20-минутную подзарядку, чтобы обеспечить массовое внедрение, что подчеркивает необходимость постоянного совершенствования как технологии бортовых зарядных устройств, так и технологии подзарядки на дорогах.
