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提高電動車充電率 TI推升車用GaN FETs開關頻率性能
 

【CTIMES/SmartAuto 報導】   2021年02月23日 星期二

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為了加速電動車(EV)技術導入,滿足消費者對續航里程、充電時間與性價比的要求,全球汽車大廠在研發上需要更高的電池容量、更快的充電性能,同時盡可能降低或維持設計尺寸、重量或元件成本。透過EV車載充電器(OBC),家用、公用或商用充電站可以直接以AC電源為電池充電。這項技術目前也正快速發展。

德州儀器Ramanan Natarajan指出,為提高充電率,OBC的額定功率已從3.6kW提升至22kW,不過設計人員也必須思考如何在不影響續航里程的前提下,將OBC與電動車既有機械系統整合。業界的另一趨勢,是將現今OBC低於2kW/L的功率密度逐步提高至4kW/L。

OBC是一種開關式功率轉換器,主要由變壓器、電感器、濾波器、電容器等被動元件與散熱器組成。提高開關頻率能減少被動元件的尺寸,但金氧半場效應電晶體(MOSFETs)、絕緣柵雙極電晶體等開關元件的功耗也會隨之提高。

元件尺寸縮小後,能用於排熱的表面積也減少,因此必須進一步降低功耗,才能維持元件溫度不變。達成高功率密度需要同步提升開關頻率與效率,這是過去矽基功率元件無法克服的難題。

Ramanan Natarajan解釋,追求提高開關速度(元件端點之間電壓與電流的變化速度)的同時,必須減少開關能量損耗,否則實際最大頻率將會受限。採用低電感電路布局設計、端點間寄生電容低的功率元件,將是未來的研發方向。

氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)等寬能隙功率半導體具有優良的物理特性,使用此類材料開發的功率元件,能實現極低的電容以及理想的導通電阻。相同晶粒體積下,MOSFET有較高的崩潰電壓值,氮化鎵的崩潰臨界電場高於矽的10倍,電子遷移率也比矽高出33%,具有低導通電阻與低電容的雙重優點。因此,與矽元件相比,氮化鎵與碳化矽FETs能在更高的開關速度下運作,且功率損耗更低。

運用氮化鎵的特性,設計人員能在更高的開關頻率上達成高效率。額定電壓為650V的GaN FETs能支援高達10kW的應用,例如伺服器AC/DC電源、EV高電壓DC/DC轉換器與OBC(平行堆疊達到22kW)。高達1.2kV等級的高載流能力碳化矽元件,則適用於EV牽引逆變器與大型三相電網轉換器。

此外,高頻設計也是另一挑戰。一般而言,開關數百伏特時,上升與下降時間為10ns,因此在設計上須特別謹慎,避免寄生雜散電感效應。這方面,FETs與驅動器之間的共源極與閘極迴路電感為兩大考量因素。

Ramanan Natarajan表示,共源極電感會限制汲極到源極的瞬態電壓(dV/dt)與瞬態電流(dI/dt),降低開關速度,並在硬切換時提高重疊損耗、在軟切換時延長轉換時間。閘極迴路電感會限制閘極電流(dI/dt),降低開關速度,並在硬切換時提高重疊損耗;而且容易發生米勒導通現象,提高額外功耗的風險。設計人員必須避免閘極氧化層承受電壓過載,否則將減損設計可靠性。

為了因應這些狀況,工程師可能須採用鐵氧體磁珠與阻尼電阻,但同時也會降低開關速度,難以提升頻率。氮化鎵與碳化矽元件雖然適用於高頻運作,但要充分發揮材料優勢,尚須克服系統上的設計挑戰。

TI全方位整合式650V車用GaN FETs能發揮氮化鎵的材料優點,實現高效率、高頻率開關性能,且不會衍生設計與元件選擇問題。透過低電感四方扁平無引線(QFN)封裝,GaN FETs與驅動器近距離整合後,能大幅減少寄生閘極迴路電感,因此無須擔心閘極過載或寄生米勒導通現象。同時,低共源極電感能實現快速切換、減少功耗。

LMG3522R030-Q1結合了C2000即時微控制器的先進控制性能,例如TMS320F2838x或TMS320F28004x,有助提高1MHz以上功率轉換器的開關頻率,與現有矽基或碳化矽解決方案相比,能降低59%的磁性元件尺寸。

與分離式FETs相比,LMG3525R030-Q1具有大於100V/ns的汲極到源極轉動率,經驗證能有效減少高達67%的開關損耗,且能於30V/ns至150V/ns之間彈性調整,有助在效率與電磁干擾之間取得理想平衡,減少下游產品設計風險。

此外,LMG3525R030-Q1的整合式電流保護可提升耐用度,更配備創新性能,包括用於主動電源管理的數位脈衝寬度調變溫度感測、健康狀態監控以及理想二極體模式等,可省去主動控制死區時間的麻煩。採用12mm x 12mm頂部冷卻QFN封裝也有助提升熱管理效能。

關鍵字: GaN  電動車  車載充電器  功率元件  TI(德州儀器, 德儀
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