Недавно израильская компания VisIC Technologies успешно испытала на динамометрическом испытательном стенде крупного автомобильного завода 650-вольтовый полумостовой силовой модуль с сопротивлением в открытом состоянии 2.2 мОм, состоящий из четырех параллельных силовых 8-миллиомных транзисторов в трехфазной конфигурации (см. рисунок) с использованием синхронного двигателя с постоянными магнитами.
Благодаря этому компания VisIC Technologies доказала, что ее полупроводниковая технология D3GaN (Direct Drive Depletion-mode GaN, обедненный GaN-транзистор с прямым управлением) хорошо подходит даже для самых сложных автомобильных приложений большой мощности. Были решены проблемы распараллеливания и колебаний, вызванных быстрыми переходными процессами при переключениях.
Фазные токи инвертора достигали 350 А (500 А в пике) при напряжении 400 В, хотя ограничения настройки тестовой системы не позволяли использовать более высокие токи, на которые способен модуль питания с сопротивлением 2.2 мОм.
Были проведены испытания ездового цикла по Всемирной гармонизированной процедуре испытаний легковых автомобилей (WLTP), в ходе которых был достигнут КПД, сопоставимый с КПД коммерческих модулей на основе карбида кремния, даже несмотря на использование ранних неоптимизированных прототипов модулей. Это означает, что D3GaN обеспечит обещанный высочайший КПД, снизив стоимость автомобиля за счет более легких и компактных систем питания и меньшего размера батареи без ущерба для запаса хода автомобиля. Кроме того, технология D3GaN, основанная на полупроводниковом процессе GaN-на-кремнии, обеспечивает лучшие характеристики, чем карбид кремния (SiC), при конкурентоспособной стоимости кремния.
При переходе автомобильной промышленности от двигателей внутреннего сгорания к полностью электрическому будущему полупроводники компании VisIC позволяют отрасли увеличить дальность пробега и одновременно снизить затраты. Эта смена парадигмы – только начало, и VisIC видит огромные возможности, которые появятся в ближайшее десятилетие. Полупроводники на основе нитрида галлия (GaN) являются технологией, которую выбирают ведущие мировые производители автомобилей, поскольку они обеспечивают значительно более высокие характеристики, чем кремниевые полевые транзисторы, и более доступную стоимость, чем карбид кремния.
GaN-транзисторы физически превосходят существующие материалы и за последние 10 лет были доведены до уровня высоконадежных устройств в высокоэффективных корпусах, обеспечивающих лучшие в отрасли результаты.
Не все GaN-транзисторы одинаковы. Существуют две разные технологии: D-режим (depletion mode, режим обеднения) и E-режим (enhancement mode, режим обогащения). Компания VisIC была одним из первых разработчиков и сторонников технологии D-режим, которая, в конечном счете, стала единственной технологией, доказавшей свою пригодность для использования в силовых автомобильных системах благодаря более высокому запасу прочности и более высокой помехоустойчивости цепи затвора. Оригинальное решение D3GaN разработано компанией VisIC для полного раскрытия потенциала силовых устройств на основе GaN. Лучшие характеристики переключения по сравнению с каскадными топологиями и более высокая надежность по сравнению с устройствами в режиме обогащения.
Компания VisIC была первой, кто выпустил транзисторы на основе GaN, используемые в автомобильных инверторах, и проводит совместные работы с рядом OEM-производителей и компаний первого уровня для внедрения транзисторов в серийное производство автомобильной электроники.
Усовершенствование приводных систем – ключевой элемент быстрорастущего рынка электромобилей. Сокращение потерь в приводе в сочетании с более низкой стоимостью положительно скажется на общей потребительской ценности электромобиля за счет уменьшения размеров батареи и увеличения дальности поездки. Доказано, что технология D3GaN компании VisIC позволяет снизить потери мощности не менее чем на 50%, используя при этом преимущества высокоэффективной и недорогой запатентованной конструкции GaN-транзисторов. Технология корпусирования была разработана VisIC для обеспечения высокой теплопроводности, чтобы наилучшим образом использовать возможности полупроводников. Такая оптимизация важна для проектирования и производства инверторов, чтобы минимизировать необходимость параллельного включения устройств и снизить стоимость преобразователя. Использование дискретных силовых устройств VisIC обеспечивает высокую гибкость конструкции без ущерба для тепловых характеристик модуля.
Ключевыми элементами электромобилей являются электродвигатели, аккумулятор и силовая электроника, управляющая трансмиссией системы. КПД инвертора влияет на ресурс заряда аккумулятора, и технология D3GaN компании VisIC Technology обеспечивает в этой области непревзойденные характеристики. К другим факторам относятся используемый тип аккумулятора, дорожные условия и характеристики двигателя.
Инвертор является ключевым звеном в цепи силового привода, выполняющим функцию преобразования постоянного тока от основной батареи в переменный ток, который приводит в движение двигатель. Это преобразование происходит в результате сложной последовательности переключений, восстанавливающих сигнал переменного тока из постоянного тока батареи. Потери мощности в переключателях, то есть, в силовых транзисторах, или, как в случае VisIC, в модулях D3GaN, напрямую влияют на КПД DC/DC преобразования – чем меньше потери на переключение, тем выше КПД инвертора. VisIC Technologies предлагает продукцию D3GaN для использования при создании эффективных инверторов как в виде дискретных изделий, так и модулей, интегрированных в корпуса. Сравнительные исследования КПД D3GaN в инверторной топологии показали, что потери D3GaN составляют всего 15% от потерь кремниевой технологии и 50% от потерь SiC-технологии, что дает существенный выигрыш преимущество в КПД. Дополнительным преимуществом является то, что D3GaN обеспечивает большую мощность на высокой частоте, что приводит к дальнейшему повышению КПД при использовании в паре с соответствующим электродвигателем. Все эти факторы означают, что использование D3GaN увеличивает запас хода электромобиля и снижает его стоимость.
Инвертор является важнейшим элементом трансмиссии, и его надежность имеет первостепенное значение. D3GaN компании VisIC technology – исключительно надежная технология, не уступающая существующим SiC-приборам и превосходящая стандартные GaN в режиме обогащения благодаря затвору, чрезвычайно устойчивому к перегрузкам.
Подводя итог, можно сказать, что коммутационные устройства D3GaN от VisIC Technologies идеально подходят для использования в инверторных схемах. Превосходные характеристики переключения и чрезвычайно низкие потери дают возможность разработчикам повысить общие параметры системы и в конечном итоге увеличить автономный побег электромобиля.
