环球快讯:GaN创新|扩展到900V的氮化镓产品满足汽车、家电及工业类应用需求
日前，Power Integrations（PI）举办新品媒体线上沟通会，公司资深技术培训经理Jason Yan介绍了在美国APEC展（国际电力电子应用展）上发布的一款重要新品——900V氮化镓（GaN）产品。PI之前有650V硅器件，后来发布的氮化镓器件是750V，现在把氮化镓产品扩展到900V，以满足汽车、家电及工业类应用的需求。
▋来自汽车、工业及家电类应用的市场驱动力
(资料图)
在汽车、工业和家电应用中，市场驱动力主要来自于功率需求不断加大，不管是电脑、家电还是工业应用，微处理器处理能力不断提高，功耗相应增加；一些IoT应用需要通过无线模块通信，家电增加了触摸屏和照明功能，峰值功率需求也在增加；电动汽车的趋势是去掉12V蓄电池，900V母线电压推出后，也需要有相应的功率器件。这些都要求在负载范围内提供更高的效率和更高的待机输出功率，同时简化散热，降低系统尺寸，满足不断升高供电电压的要求。
▋初级功率开关的优化
Jason Yan回顾到，PI之前开发了高度集成的反激方案InnoSwitch-3，可以在单一封装中集成初级和次级电路，其中采用快速的数字隔离方式FluxLink™ （磁感耦合）。InnoSwitch-3初级和次级都有一个控制器，通过FluxLink™ 通信，将次级的电压电流信号传到初级控制器，由控制器决定开关状态，最终实现稳定的输出电压或电流。由于在次级侧集成了同步整流驱动，效率高达95%。不像传统的PWM，由于采用的是一种数字反馈方式，控制器本身的功耗非常低。这种控制方式可以将空载功耗做到小于10mW。得益于PI独有的封装研发能力，功率器件散热更佳，100W应用可以不使用散热片。使用InnoSwitch-3有助于减轻电源重量，缩小电源体积，同时也增加了系统的可靠性。
事实上，电源的最终目标是实现小尺寸设计，不只是PD充电应用需要小体积，家电、汽车类应用同样有小尺寸电源的需求。另外，900V氮化镓可以针对更高的供电电压范围，这也是目前电动汽车架构从400V母线向800V母线切换的动力，其内部电源的输入电压和功率开关管的耐压都有相应提高。此外，在室外照明方面，一些地区采用工业或三相电供电，也会涉及更高的输入电压。
初级侧功率开关一般都会根据不同输入电压选择不同材料的器件。PI的所有系列产品有三类材料，一是硅开关，目前有650V、725V和900V，不同硅器件针对不同Vds耐压。已经发布的氮化镓器件是750V，用于功率比较大的应用。再往上有1700V耐压的碳化硅（SiC），可以耐受更高的母线电压。不同的耐压可以应对不同输入电压的应用。功率开关一般需要有10%的降额，如果考虑雷击、噪声，还要增加到20%的降额，所以功率器件选择时要留不同的裕量，以满足不同的使用工况。
Si、GaN及SiC初级功率开关的优化
Jason Yan介绍说，目前在工业类或某些汽车应用中，EPS（应急电源）用碳化硅可以做到1700V耐压，在汽车应用中还要满足AEC-Q100车规认证要求。PI的900V硅器件、750V氮化镓，1700V SiC都通过了AEC-Q100认证。对于其它的工业类应用，可以使用高耐压非车规的一些型号。
现在推出的900V耐压氮化镓——900V PowiGaN增加了裕量和耐用性，从原来的750V增加到900V。与硅器件相比效率更高，功率也更大。在封装不变的情况下，它可以输出更高的功率。该产品扩展了电压范围，同时提升了效率。在不同输入电压情况下，交流输入越高，直流母线电压也越高；母线电压增高，开关损耗就会相应增加。而650V或725V硅器件难以应对这么高的母线电压。
900V PowiGaN扩展了电压范围且提升了效率
宽禁带器件具备结温更小、温升更低的优势。60W电源的温升测试表明，在400Vdc输入情况下，与725V硅开关相比，1700V碳化硅温升从100℃降到了89℃，如果采用900V氮化镓开关，温升会降到78℃。尽管效率提升只有1.5个百分点，但温升改善达20℃。这对环境温度比较高的汽车应用尤其重要。
1.5%的效率改善 = 减少20%热量
采用900V氮化镓的效率改善了1.5个百分点，功率损耗减少了20%，热量的减少有助于缩小电源体积和PCB空间，或实现更高功率密度的设计。
三种不同材料器件对比，降低器件温升 = 减小电源的尺寸
▋InnoSwitch3-AQ简化EV功率架构
Jason Yan说，InnoSwitch-3除了在很多工业类应用中使用，也可以用于汽车应用。电动汽车的功率架构与燃油汽车不同，但都会有一个12V铅酸蓄电池。尽管电动汽车中有400或800V高压动力电池，但铅酸蓄电池仍然在电动汽车当中为12V的低压负载进行供电。目前的电动汽车当汽车停止使用时，其告警、通讯及其它待机负载仍由此外接的低压蓄电池供电。
集成充电控制单元中的DC-DC高压之后有高压功率配电模组PDM，给AC压缩机或客舱加热供电。后面的高压电池组就是动力电池，需要有电池管理系统（BMS）。此外，还有引擎控制单元、保险丝、接触器、热管理等，以在故障情况下将动力电池和电路切断，防止在撞车或故障情况下高压对人身安全产生危险。高压功率模组给高压电池充电，然后提供给逆变器以驱动电机和车轮。
EV仍然在使用铅酸电池
系统中的EPS可以在故障情况下保证逆变器的驱动和安全控制，并提供应急供电。其中的InnoSwitch-3-AQ为60W左右，可以满足功能安全要求。在汽车等低压设备中的12V负载，包括风扇、娱乐系统、照明、车窗泵、转向助力、辅助驾驶、安全及通信系统，人手能碰到的地方需要保证安全。这些低压负载均由辅助供电单元来进行供电，其中最大的消耗来自于转向助力，因此辅助供电单元的峰值输出功率甚至可达2000W到4000W。
Jason Yan指出，现在的趋势是将12V电池去掉或将12V电池体积缩小，以减少整车重量，同时节省空间，降低成本，特别是延长续航里程；同时也有利于降低维护成本，不必对电池进行定期更换。
消除12V电池有利于降低重量、空间、成本和维护要求
在12V电池去掉或缩小的情况下，可使用多个InnoSwitch3-AQ组成的电源为低压负载供电，单个InnoSwitch3-AQ的输出功率可达100W。另外，还有一个60W至100W输出的待机电源，其主要作用是在汽车停止期间以更高的效率给低压12V负载供电，延长整车的待机时长。根据不同电动汽车的功率架构，有时12V低压负载要由多个APU并联供电，以提供一定的功率冗余，这样就可以去掉或缩小原来的12V蓄电池。而电动汽车功率架构改进的另一个趋势就是，既然转向助力有峰值功率需求，一些车企考虑不用12V供电，而用高压供电。这样就将很大一部分低压负载的功率转移到高压负载。这样就降低了对多个APU的并联需求。
PI的高效氮化镓100W汽车用EPS电源元件数目很少，大概在80个左右，高度也非常薄。EPS输入为30到500Vdc，输出13.6V/6.5A，50%以上负载条件下效率大于93%，这也是PI高效同步整流的效果。在汽车应用中，多一个器件可能增加不了多少成本，但工程师在验证系统安全性时则需要花大量的时间做很多实验，以保证每个器件在出现失效时汽车是安全的。这个样板在10%负载以上时，效率仍然能够大于85%。所以，无论是温升还是可靠性，都会有大幅改善。
高效GaN的100W汽车用EPS
采用FluxLink™ 方式能够满足加强绝缘要求，同时能用次级稳压方案来做电动汽车中各种辅助电源的设计。次级稳压方案稳压精度更高，相对于目前市场上广泛采用的初级稳压方案，可以省掉后面的DC-DC。
▋什么时候会去掉12V铅酸电池？
事实上，现在还没有一款车型能够完全拿掉12V铅酸电池，特斯拉目前还是使用12V铅酸电池，谁能率先将这个电池去掉呢？针对未来电动汽车800V母线电压，900V GaN又能够做什么呢？
Jason Yan表示，传统燃油汽车当中的12V铅酸电池在汽车启动期间可以提供瞬间的高启动电流，而在汽车停止期间仅进行待机供电，以保持告警功能，包括各种保护措施。而电动汽车则无类似的启动电流要求。所以，完全没有必要在电动汽车当中使用大容量的12V铅酸电池。因铅酸电池有限的使用寿命及过高的维护成本对消费者来讲并无益处。
目前，有些日本、欧洲车企已经在将12V铅酸电池换成重量更轻、寿命更长的小容量的锂电池，主要功能是在汽车停止没有充电期间给所有低压系统供电，包括汽车安全、通信系统等等。之后，可能会将12V铅酸电池完全拿掉，利用待机电源APU由高压动力电池给这些低压负载待机供电。
他还指出，4000W全桥电源在轻载条件下效率极低，因为车停在那里功耗非常低，在如此轻负载情况下，APU效率很差，放电能力就会受限，待机时间也受限。这就需要一个待机电源，尽管只有60到100W，但是在车没有启动时，其工作效率非常高。这样就可以在电池缩小后有更长的待机时间。所以，缩小12V铅酸电池只是第一步，第二步会将它完全拿掉。
▋功率变换的未来在于GaN
Jason Yan最后强调，未来，PI很多产品都会逐步采用氮化镓。900V耐压氮化镓的推出增加了输出功率，同时也改善了设计裕量，可以使400Vdc母线汽车系统更安全；也适合输入电压范围非常宽泛的三相供电服务器类辅助电源；同时适用于输入电压更高的路灯照明等工业类供电应用。而PI已经推出的1700V耐压的碳化硅器件，用于满足800V汽车母线和更高三相工业电压供电的应用。
从趋势看，GaN技术能够以更低的成本实现相对较高的效率。对于使用者来讲，PI的多种方案可以说是量身定做的，即针对不同的功率变换应用选取不同的功率开关。比如假设应用当中功率开关流过的电流比较小，GaN的低导通损耗优势就发挥不出来，这时就可以使用硅基材料的开关器件。随着功率的增加，PI采用氮化镓开关的方案在设计上也不需要使用者有什么特别的设计考量，设计者唯一能感受得到的就是温升更低，功率更大，效率更高，非常容易进行切换。总之，要根据具体应用选择使用适合的硅开关、氮化镓开关或者碳化硅开关。
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