汽車電氣化中氮化鎵裝置的應用前景

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汽車電氣化中氮化鎵裝置的應用前景

汽車工業正面臨著尾氣排放越來越嚴格的挑戰。為應對這個挑戰，各汽車制造商正采取相關措施提高內燃機和齒輪傳動系統的效率，同時減輕車輛總質量，降低阻力系數。在這樣的背景下，發揮輔助作用的電氣化裝置開始變得越來越重要。而電氣化程度的不斷提高，使得對相關設備的要求也不斷提高，如更高頻率的操作、更高的效率、更緊湊的結構等，但這將引起汽車電氣系統過熱、共振等問題的產生。使用氮化鎵（GaN）裝置進行功率轉換和電機驅動被認為是未來10年實現更高電氣化系統最具前景的技術。文中對GaN裝置進行了討論。

對GaN裝置需要滿足的需求及其屬性進行了詳細分析。電氣化、機電一體化的逐步提高，導致汽車系統環境溫度的提升。為了在這樣高溫的環境下工作，要求GaN裝置具有較高結溫性能和較低的熱阻值。混合動力汽車電池電壓達到100～50V，該值不斷提升，部分新生產的車用驅動電機電壓達到了600V，因而GaN裝置需要具有耐高壓特性。高開關頻率和功率密度可以縮小無源濾波器元件的尺寸、減輕質量并減小體積，因而要求GaN裝置能滿足較高的開關頻率和功率密度要求。此外，為得到較高的可靠性和使用壽命，要求GaN裝置能承受超過50%的過電壓、2～3倍的過載、超過10的發動機振動加速度均方根值，確保其使用壽命達到10～15年。GaN材料具有寬的直接帶隙、強的原子鍵、高的熱導率，幾乎不被任何酸腐蝕等性質和強的抗輻射能力，因而適用于在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件中使用。對低額定電壓和高額定電壓的GaN裝置進行分析，討論其是否滿足汽車電氣系統的需求尤其對短路容量問題進行了分析。通過將GaN裝置應用于混合動力汽車中隔離高壓電池接口和低壓電池接口，對GaN裝置進行性能評測，并分析其可靠性和魯棒性。最后得出，與硅裝置相比，GaN裝置具備更快速的開關、更低的功率損耗及更低的成本優勢，將在汽車電氣系統中獲得廣泛應用。

Samuel Araujo et al. PCIM Europe International Exhibition and Conference for Power Electronics，Intelligent Motion，Renewable Energy and Energy Management，Germany May 20-22，2014.

編譯：陳丁躍