擴(kuò)展到900V的氮化鎵產(chǎn)品滿足汽車、家電及工業(yè)類應(yīng)用需求

日前，Power Integrations（PI）舉辦新品媒體線上溝通會(huì)，公司資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理Jason Yan介紹了在美國(guó)APEC展（國(guó)際電力電子應(yīng)用展）上發(fā)布的一款重要新品——900V氮化鎵（GaN）產(chǎn)品。PI之前有650V硅器件，后來(lái)發(fā)布的氮化鎵器件是750V，現(xiàn)在把氮化鎵產(chǎn)品擴(kuò)展到900V，以滿足汽車、家電及工業(yè)類應(yīng)用的需求。

來(lái)自汽車、工業(yè)及家電類應(yīng)用的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力

在汽車、工業(yè)和家電應(yīng)用中，市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自于功率需求不斷加大，不管是電腦、家電還是工業(yè)應(yīng)用，微處理器處理能力不斷提高，功耗相應(yīng)增加；一些IoT應(yīng)用需要通過(guò)無(wú)線模塊通信，家電增加了觸摸屏和照明功能，峰值功率需求也在增加；電動(dòng)汽車的趨勢(shì)是去掉12V蓄電池，900V母線電壓推出后，也需要有相應(yīng)的功率器件。這些都要求在負(fù)載范圍內(nèi)提供更高的效率和更高的待機(jī)輸出功率，同時(shí)簡(jiǎn)化散熱，降低系統(tǒng)尺寸，滿足不斷升高供電電壓的要求。

初級(jí)功率開(kāi)關(guān)的優(yōu)化

Jason Yan回顧到，PI之前開(kāi)發(fā)了高度集成的反激方案InnoSwitch-3，可以在單一封裝中集成初級(jí)和次級(jí)電路，其中采用快速的數(shù)字隔離方式FluxLink （磁感耦合）。InnoSwitch-3初級(jí)和次級(jí)都有一個(gè)控制器，通過(guò)FluxLink 通信，將次級(jí)的電壓電流信號(hào)傳到初級(jí)控制器，由控制器決定開(kāi)關(guān)狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出電壓或電流。由于在次級(jí)側(cè)集成了同步整流驅(qū)動(dòng)，效率高達(dá)95%。不像傳統(tǒng)的PWM，由于采用的是一種數(shù)字反饋方式，控制器本身的功耗非常低。這種控制方式可以將空載功耗做到小于10mW。得益于PI獨(dú)有的封裝研發(fā)能力，功率器件散熱更佳，100W應(yīng)用可以不使用散熱片。使用InnoSwitch-3有助于減輕電源重量，縮小電源體積，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的可靠性。

事實(shí)上，電源的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)小尺寸設(shè)計(jì)，不只是PD充電應(yīng)用需要小體積，家電、汽車類應(yīng)用同樣有小尺寸電源的需求。另外，900V氮化鎵可以針對(duì)更高的供電電壓范圍，這也是目前電動(dòng)汽車架構(gòu)從400V母線向800V母線切換的動(dòng)力，其內(nèi)部電源的輸入電壓和功率開(kāi)關(guān)管的耐壓都有相應(yīng)提高。此外，在室外照明方面，一些地區(qū)采用工業(yè)或三相電供電，也會(huì)涉及更高的輸入電壓。

初級(jí)側(cè)功率開(kāi)關(guān)一般都會(huì)根據(jù)不同輸入電壓選擇不同材料的器件。PI的所有系列產(chǎn)品有三類材料，一是硅開(kāi)關(guān)，目前有650V、725V和900V，不同硅器件針對(duì)不同Vds耐壓。已經(jīng)發(fā)布的氮化鎵器件是750V，用于功率比較大的應(yīng)用。再往上有1700V耐壓的碳化硅（SiC），可以耐受更高的母線電壓。不同的耐壓可以應(yīng)對(duì)不同輸入電壓的應(yīng)用。功率開(kāi)關(guān)一般需要有10%的降額，如果考慮雷擊、噪聲，還要增加到20%的降額，所以功率器件選擇時(shí)要留不同的裕量，以滿足不同的使用工況。

Si、GaN及SiC初級(jí)功率開(kāi)關(guān)的優(yōu)化

Jason Yan介紹說(shuō)，目前在工業(yè)類或某些汽車應(yīng)用中，EPS（應(yīng)急電源）用碳化硅可以做到1700V耐壓，在汽車應(yīng)用中還要滿足AEC-Q100車規(guī)認(rèn)證要求。PI的900V硅器件、750V氮化鎵，1700V SiC都通過(guò)了AEC-Q100認(rèn)證。對(duì)于其它的工業(yè)類應(yīng)用，可以使用高耐壓非車規(guī)的一些型號(hào)。

現(xiàn)在推出的900V耐壓氮化鎵——900V PowiGaN增加了裕量和耐用性，從原來(lái)的750V增加到900V。與硅器件相比效率更高，功率也更大。在封裝不變的情況下，它可以輸出更高的功率。該產(chǎn)品擴(kuò)展了電壓范圍，同時(shí)提升了效率。在不同輸入電壓情況下，交流輸入越高，直流母線電壓也越高；母線電壓增高，開(kāi)關(guān)損耗就會(huì)相應(yīng)增加。而650V或725V硅器件難以應(yīng)對(duì)這么高的母線電壓。

900V PowiGaN擴(kuò)展了電壓范圍且提升了效率

寬禁帶器件具備結(jié)溫更小、溫升更低的優(yōu)勢(shì)。60W電源的溫升測(cè)試表明，在400Vdc輸入情況下，與725V硅開(kāi)關(guān)相比，1700V碳化硅溫升從100℃降到了89℃，如果采用900V氮化鎵開(kāi)關(guān)，溫升會(huì)降到78℃。盡管效率提升只有1.5個(gè)百分點(diǎn)，但溫升改善達(dá)20℃。這對(duì)環(huán)境溫度比較高的汽車應(yīng)用尤其重要。

1.5%的效率改善 = 減少20%熱量

采用900V氮化鎵的效率改善了1.5個(gè)百分點(diǎn)，功率損耗減少了20%，熱量的減少有助于縮小電源體積和PCB空間，或?qū)崿F(xiàn)更高功率密度的設(shè)計(jì)。

三種不同材料器件對(duì)比，降低器件溫升 = 減小電源的尺寸

InnoSwitch3-AQ簡(jiǎn)化EV功率架構(gòu)

Jason Yan說(shuō)，InnoSwitch-3除了在很多工業(yè)類應(yīng)用中使用，也可以用于汽車應(yīng)用。電動(dòng)汽車的功率架構(gòu)與燃油汽車不同，但都會(huì)有一個(gè)12V鉛酸蓄電池。盡管電動(dòng)汽車中有400或800V高壓動(dòng)力電池，但鉛酸蓄電池仍然在電動(dòng)汽車當(dāng)中為12V的低壓負(fù)載進(jìn)行供電。目前的電動(dòng)汽車當(dāng)汽車停止使用時(shí)，其告警、通訊及其它待機(jī)負(fù)載仍由此外接的低壓蓄電池供電。

集成充電控制單元中的DC-DC高壓之后有高壓功率配電模組PDM，給AC壓縮機(jī)或客艙加熱供電。后面的高壓電池組就是動(dòng)力電池，需要有電池管理系統(tǒng)（BMS）。此外，還有引擎控制單元、保險(xiǎn)絲、接觸器、熱管理等，以在故障情況下將動(dòng)力電池和電路切斷，防止在撞車或故障情況下高壓對(duì)人身安全產(chǎn)生危險(xiǎn)。高壓功率模組給高壓電池充電，然后提供給逆變器以驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車輪。

EV仍然在使用鉛酸電池

系統(tǒng)中的EPS可以在故障情況下保證逆變器的驅(qū)動(dòng)和安全控制，并提供應(yīng)急供電。其中的InnoSwitch-3-AQ為60W左右，可以滿足功能安全要求。在汽車等低壓設(shè)備中的12V負(fù)載，包括風(fēng)扇、娛樂(lè)系統(tǒng)、照明、車窗泵、轉(zhuǎn)向助力、輔助駕駛、安全及通信系統(tǒng)，人手能碰到的地方需要保證安全。這些低壓負(fù)載均由輔助供電單元來(lái)進(jìn)行供電，其中最大的消耗來(lái)自于轉(zhuǎn)向助力，因此輔助供電單元的峰值輸出功率甚至可達(dá)2000W到4000W。

Jason Yan指出，現(xiàn)在的趨勢(shì)是將12V電池去掉或?qū)?2V電池體積縮小，以減少整車重量，同時(shí)節(jié)省空間，降低成本，特別是延長(zhǎng)續(xù)航里程；同時(shí)也有利于降低維護(hù)成本，不必對(duì)電池進(jìn)行定期更換。

消除12V電池有利于降低重量、空間、成本和維護(hù)要求

在12V電池去掉或縮小的情況下，可使用多個(gè)InnoSwitch3-AQ組成的電源為低壓負(fù)載供電，單個(gè)InnoSwitch3-AQ的輸出功率可達(dá)100W。另外，還有一個(gè)60W至100W輸出的待機(jī)電源，其主要作用是在汽車停止期間以更高的效率給低壓12V負(fù)載供電，延長(zhǎng)整車的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)。根據(jù)不同電動(dòng)汽車的功率架構(gòu)，有時(shí)12V低壓負(fù)載要由多個(gè)APU并聯(lián)供電，以提供一定的功率冗余，這樣就可以去掉或縮小原來(lái)的12V蓄電池。而電動(dòng)汽車功率架構(gòu)改進(jìn)的另一個(gè)趨勢(shì)就是，既然轉(zhuǎn)向助力有峰值功率需求，一些車企考慮不用12V供電，而用高壓供電。這樣就將很大一部分低壓負(fù)載的功率轉(zhuǎn)移到高壓負(fù)載。這樣就降低了對(duì)多個(gè)APU的并聯(lián)需求。

PI的高效氮化鎵100W汽車用EPS電源元件數(shù)目很少，大概在80個(gè)左右，高度也非常薄。EPS輸入為30到500Vdc，輸出13.6V/6.5A，50%以上負(fù)載條件下效率大于93%，這也是PI高效同步整流的效果。在汽車應(yīng)用中，多一個(gè)器件可能增加不了多少成本，但工程師在驗(yàn)證系統(tǒng)安全性時(shí)則需要花大量的時(shí)間做很多實(shí)驗(yàn)，以保證每個(gè)器件在出現(xiàn)失效時(shí)汽車是安全的。這個(gè)樣板在10%負(fù)載以上時(shí)，效率仍然能夠大于85%。所以，無(wú)論是溫升還是可靠性，都會(huì)有大幅改善。

高效GaN的100W汽車用EPS

采用FluxLink 方式能夠滿足加強(qiáng)絕緣要求，同時(shí)能用次級(jí)穩(wěn)壓方案來(lái)做電動(dòng)汽車中各種輔助電源的設(shè)計(jì)。次級(jí)穩(wěn)壓方案穩(wěn)壓精度更高，相對(duì)于目前市場(chǎng)上廣泛采用的初級(jí)穩(wěn)壓方案，可以省掉后面的DC-DC。

什么時(shí)候會(huì)去掉12V鉛酸電池？

事實(shí)上，現(xiàn)在還沒(méi)有一款車型能夠完全拿掉12V鉛酸電池，特斯拉目前還是使用12V鉛酸電池，誰(shuí)能率先將這個(gè)電池去掉呢？針對(duì)未來(lái)電動(dòng)汽車800V母線電壓，900V GaN又能夠做什么呢？

Jason Yan表示，傳統(tǒng)燃油汽車當(dāng)中的12V鉛酸電池在汽車啟動(dòng)期間可以提供瞬間的高啟動(dòng)電流，而在汽車停止期間僅進(jìn)行待機(jī)供電，以保持告警功能，包括各種保護(hù)措施。而電動(dòng)汽車則無(wú)類似的啟動(dòng)電流要求。所以，完全沒(méi)有必要在電動(dòng)汽車當(dāng)中使用大容量的12V鉛酸電池。因鉛酸電池有限的使用壽命及過(guò)高的維護(hù)成本對(duì)消費(fèi)者來(lái)講并無(wú)益處。

目前，有些日本、歐洲車企已經(jīng)在將12V鉛酸電池?fù)Q成重量更輕、壽命更長(zhǎng)的小容量的鋰電池，主要功能是在汽車停止沒(méi)有充電期間給所有低壓系統(tǒng)供電，包括汽車安全、通信系統(tǒng)等等。之后，可能會(huì)將12V鉛酸電池完全拿掉，利用待機(jī)電源APU由高壓動(dòng)力電池給這些低壓負(fù)載待機(jī)供電。

他還指出，4000W全橋電源在輕載條件下效率極低，因?yàn)檐囃Ｔ谀抢锕姆浅５?，在如此輕負(fù)載情況下，APU效率很差，放電能力就會(huì)受限，待機(jī)時(shí)間也受限。這就需要一個(gè)待機(jī)電源，盡管只有60到100W，但是在車沒(méi)有啟動(dòng)時(shí)，其工作效率非常高。這樣就可以在電池縮小后有更長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間。所以，縮小12V鉛酸電池只是第一步，第二步會(huì)將它完全拿掉。

功率變換的未來(lái)在于GaN

Jason Yan最后強(qiáng)調(diào)，未來(lái)，PI很多產(chǎn)品都會(huì)逐步采用氮化鎵。900V耐壓氮化鎵的推出增加了輸出功率，同時(shí)也改善了設(shè)計(jì)裕量，可以使400Vdc母線汽車系統(tǒng)更安全；也適合輸入電壓范圍非常寬泛的三相供電服務(wù)器類輔助電源；同時(shí)適用于輸入電壓更高的路燈照明等工業(yè)類供電應(yīng)用。而PI已經(jīng)推出的1700V耐壓的碳化硅器件，用于滿足800V汽車母線和更高三相工業(yè)電壓供電的應(yīng)用。

從趨勢(shì)看，GaN技術(shù)能夠以更低的成本實(shí)現(xiàn)相對(duì)較高的效率。對(duì)于使用者來(lái)講，PI的多種方案可以說(shuō)是量身定做的，即針對(duì)不同的功率變換應(yīng)用選取不同的功率開(kāi)關(guān)。比如假設(shè)應(yīng)用當(dāng)中功率開(kāi)關(guān)流過(guò)的電流比較小，GaN的低導(dǎo)通損耗優(yōu)勢(shì)就發(fā)揮不出來(lái)，這時(shí)就可以使用硅基材料的開(kāi)關(guān)器件。隨著功率的增加，PI采用氮化鎵開(kāi)關(guān)的方案在設(shè)計(jì)上也不需要使用者有什么特別的設(shè)計(jì)考量，設(shè)計(jì)者唯一能感受得到的就是溫升更低，功率更大，效率更高，非常容易進(jìn)行切換。總之，要根據(jù)具體應(yīng)用選擇使用適合的硅開(kāi)關(guān)、氮化鎵開(kāi)關(guān)或者碳化硅開(kāi)關(guān)。

審核編輯：湯梓紅