長(zhǎng)安汽車推出了據(jù)稱是全球首款商用氮化鎵（GaN）車載充電器（OBC）技術(shù)平臺(tái)，并將其集成到新推出的啟遠(yuǎn)E07電動(dòng)汽車中。作為中國(guó)歷史最悠久的汽車制造商之一，比亞迪采用了Navitas Semiconductor的高功率GaN器件，以提高汽車充電系統(tǒng)的功率密度和效率。

基于長(zhǎng)安SDA平臺(tái)，長(zhǎng)安啟遠(yuǎn)E07是一款原創(chuàng)電動(dòng)SUV混合動(dòng)力皮卡。它運(yùn)行由三元鋰電池驅(qū)動(dòng)的單電機(jī)和雙電機(jī)系統(tǒng)。雙電機(jī)版本提供598馬力（440千瓦），達(dá)到210公里/小時(shí)，而單電機(jī)版本提供343馬力（252千瓦）。有關(guān)電池容量和續(xù)航里程的細(xì)節(jié)尚不清楚。

該車配備了先進(jìn)的激光雷達(dá)和攝像頭，確保了高水平的駕駛員輔助能力。一個(gè)突出的特點(diǎn)是它的近地軌道衛(wèi)星連接，提供持續(xù)的互聯(lián)網(wǎng)接入。

長(zhǎng)安聲稱，基于gan的OBC在充放電效率為96%，功率密度為每升6千瓦。該公司還預(yù)測(cè)，更高的效率可能會(huì)使汽車的壽命行駛里程延長(zhǎng)約1萬公里。長(zhǎng)安還強(qiáng)調(diào)了另一個(gè)可能降低成本的重要因素。根據(jù)該公司的說法，與標(biāo)準(zhǔn)的OBC解決方案相比，該車的用戶可以在其使用壽命內(nèi)享受15-20%的充電成本降低。

圖1：長(zhǎng)安汽車在屈原E07電動(dòng)汽車發(fā)布會(huì)上展示了其全球首個(gè)基于gan的OBC，使用了Navitas GaNSafe技術(shù)

由于氮化鎵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更小、更輕、更高效的設(shè)計(jì)，因此它在電動(dòng)汽車電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。相對(duì)于傳統(tǒng)的硅基組件，氮化鎵晶體管的開關(guān)損耗降低有助于解釋更好的總體系統(tǒng)性能。雖然基于gan的obc已經(jīng)在開發(fā)中，但長(zhǎng)安的商業(yè)集成標(biāo)志著汽車行業(yè)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

這一變化符合更普遍的行業(yè)趨勢(shì)，即電動(dòng)汽車的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更小，效率更高。隨著制造商試圖最大化能源使用和充電基礎(chǔ)設(shè)施，GaN技術(shù)預(yù)計(jì)將在下一代電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中變得更加重要（圖1和2）。

圖2：使用Navitas高功率GaNSafe的長(zhǎng)漢gan基OBC實(shí)現(xiàn)6kW/L，充電效率和DC-DC效率均為96%

Navitas技術(shù)

盡管GaN fet具有相當(dāng)脆弱的柵極，但在同一封裝中集成最佳柵極驅(qū)動(dòng)器有助于減少這種脆弱性。GaN ic確保適當(dāng)?shù)臇艠O控制，防止損壞并提高可靠性。

Navitas的GaNSafe電源ic體現(xiàn)了這一戰(zhàn)略，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟邷睾烷L(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的具有挑戰(zhàn)性的電動(dòng)汽車環(huán)境中提供了強(qiáng)大的性能。這些第四代基于GaN的ic具有連續(xù)650 V工作能力，可承受800 V峰值，具有柵極驅(qū)動(dòng)控制（具有零柵極源環(huán)路電感），傳感和關(guān)鍵保護(hù)功能，可提供業(yè)界最安全的GaN功率器件。

GaNSafe允許修改dV/dt的開啟和關(guān)閉速度，以簡(jiǎn)化EMI合規(guī)性。內(nèi)置安全元件包括超高速短路保護(hù)（在50 ns內(nèi)），2 MHz開關(guān)和2 kV ESD保護(hù)，這些都是分立GaN晶體管所沒有的。

采用TOLL (RDS(on))= 35-98 mΩ)和TOLT （RDS(on) = 25-98 mΩ）封裝，可提供良好的熱性能。采用頂部冷卻，TOLT封裝暴露排水孔以最大限度地散熱，因此支持大電流使用并簡(jiǎn)化熱管理（圖3）。

圖3:GaNSafe技術(shù)（來源：Navitas）

電動(dòng)汽車的氮化鎵：提高效率和續(xù)航里程

作為電動(dòng)汽車（ev）的主要寬帶隙半導(dǎo)體材料，氮化鎵（GaN）比傳統(tǒng)的硅基電力電子產(chǎn)品具有更好的效率、功率密度和熱穩(wěn)定性。這些優(yōu)點(diǎn)有助于降低系統(tǒng)重量，提高總體性能，并延長(zhǎng)EV范圍。對(duì)于重要的電動(dòng)汽車應(yīng)用，如車載充電器（OBCs）、高壓到低壓（hv到- LV） DC/DC轉(zhuǎn)換器和動(dòng)力總成集成，GaN能夠在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行，功耗更低，因此非常適合。GaN可以在obc中實(shí)現(xiàn)更高的效率和功率密度，從而降低尺寸和充電時(shí)間。GaN驅(qū)動(dòng)低能量損耗、緊湊、高性能的高壓-低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案。

雖然SiC在牽引逆變器（800V系統(tǒng)）等高功率應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但GaN在中等功率汽車應(yīng)用中具有有效的競(jìng)爭(zhēng)力，特別是在48V-400V系統(tǒng)中。GaN-on-Si技術(shù)目前被廣泛采用，行業(yè)從6英寸晶圓過渡到8英寸晶圓，以提高生產(chǎn)的可擴(kuò)展性。然而，晶圓彎曲和8英寸晶圓上的外延缺陷等挑戰(zhàn)需要解決。

電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)大趨勢(shì)是基于氮化鎵的動(dòng)力總成系統(tǒng)的集成，通過消除重復(fù)的硬件來減輕重量并提高效率。GaN具有高速開關(guān)、零反向恢復(fù)和超過100 V/ns開關(guān)速度的可能性，適用于圖騰桿PFC、CLLC和LLC諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器。隨著汽車GaN技術(shù)的發(fā)展，規(guī)模經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和全面的可靠性測(cè)試將有助于推動(dòng)更多的接受度。

OBCs在電動(dòng)汽車充電和普及中的作用

電動(dòng)汽車的充電時(shí)間不僅取決于路邊充電設(shè)施，還取決于車載充電器（OBC）的能力。寬帶隙（WBG）材料的進(jìn)步大大提高了充電速度，路邊充電器從低速1級(jí)（3.3 kW）發(fā)展到超高速直流充電器（高達(dá)350 kW）。高壓架構(gòu)（MCS標(biāo)準(zhǔn)中高達(dá)1,250 V - Mega Charging Systems）需要額定功率為2300 V的電源器件，碳化硅（SiC）成為關(guān)鍵推動(dòng)者。

然而，高效充電也依賴于OBC，它將交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電以供電池存儲(chǔ)。雖然800 V的電池系統(tǒng)需要1200 V的SiC器件，但氮化鎵（GaN）非常適合高達(dá)650 V的系統(tǒng)中的obc。Navitas等公司正在推進(jìn)基于gan的OBC技術(shù)，該技術(shù)具有單片集成的驅(qū)動(dòng)和控制功能，可以提高效率并減少組件數(shù)量。

盡管電動(dòng)汽車的接受速度很快，但擴(kuò)大充電基礎(chǔ)設(shè)施仍然存在困難。研究表明，“充電焦慮”，而不是續(xù)航里程限制，降低了消費(fèi)者的信心。如果電動(dòng)汽車想要成為主流，就必須在充電時(shí)間為20分鐘的情況下行駛350英里，因此強(qiáng)調(diào)需要不斷改進(jìn)OBC和路邊充電技術(shù)。

本文編譯自power electronics news.