汽车电气化中氮化镓装置的应用前景



汽车电气化中氮化镓装置的应用前景

汽车工业正面临着尾气排放越来越严格的挑战。为应对这个挑战，各汽车制造商正采取相关措施提高内燃机和齿轮传动系统的效率，同时减轻车辆总质量，降低阻力系数。在这样的背景下，发挥辅助作用的电气化装置开始变得越来越重要。而电气化程度的不断提高，使得对相关设备的要求也不断提高，如更高频率的操作、更高的效率、更紧凑的结构等，但这将引起汽车电气系统过热、共振等问题的产生。使用氮化镓（GaN）装置进行功率转换和电机驱动被认为是未来10年实现更高电气化系统最具前景的技术。文中对GaN装置进行了讨论。

对GaN装置需要满足的需求及其属性进行了详细分析。电气化、机电一体化的逐步提高，导致汽车系统环境温度的提升。为了在这样高温的环境下工作，要求GaN装置具有较高结温性能和较低的热阻值。混合动力汽车电池电压达到100～50V，该值不断提升，部分新生产的车用驱动电机电压达到了600V，因而GaN装置需要具有耐高压特性。高开关频率和功率密度可以缩小无源滤波器元件的尺寸、减轻质量并减小体积，因而要求GaN装置能满足较高的开关频率和功率密度要求。此外，为得到较高的可靠性和使用寿命，要求GaN装置能承受超过50%的过电压、2～3倍的过载、超过10的发动机振动加速度均方根值，确保其使用寿命达到10～15年。GaN材料具有宽的直接带隙、强的原子键、高的热导率，几乎不被任何酸腐蚀等性质和强的抗辐射能力，因而适用于在光电子、高温大功率器件和高频微波器件中使用。对低额定电压和高额定电压的GaN装置进行分析，讨论其是否满足汽车电气系统的需求尤其对短路容量问题进行了分析。通过将GaN装置应用于混合动力汽车中隔离高压电池接口和低压电池接口，对GaN装置进行性能评测，并分析其可靠性和鲁棒性。最后得出，与硅装置相比，GaN装置具备更快速的开关、更低的功率损耗及更低的成本优势，将在汽车电气系统中获得广泛应用。

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.

编译：陈丁跃