基于GaN的电机控制器提高电动汽车的效率

我们都知道硅 (Si) 如何在功率应用中达到其理论极限，需要新材料表现出更高的效率、更好的热管理，并且可能允许降低成本和尺寸。氮化镓 (GaN) 是一种宽带隙半导体，在电源应用中提供比硅更好的性能，正在取代传统的基于硅的 MOSFET，用于电路中的高效率和在更高温度和频率下运行的能力是强制性要求。相关应用包括所有不同类型的电动汽车 (EV)，它们需要极其高效和可靠的电机控制解决方案，以尽可能地扩展车辆的自主性。

氮化镓的好处

GaN FET 在几个方面优于传统的硅基功率器件，包括：

• GaN 的击穿场比硅高 10 倍以上（3.3 MV/cm 对 0.3 MV/cm），允许基于 GaN 的功率器件在损坏前支持高 10 倍的电压。
• 在相同的电压值下运行，GaN 器件表现出较低的温度并产生较少的热量。因此，它们可以在比硅更高的温度（高达 225˚C 及更高）下运行，而硅受到其较低结温（150˚C 至 175˚C）的限制。
• 由于其固有结构，GaN可以在比硅更高的频率下进行开关，具有低 R DS(on)，并且具有出色的反向恢复。反过来，这会带来高效率，同时减少开关和功率损耗。
• 作为一种高电子迁移率晶体管，GaN 器件具有比硅器件更高的电场强度，从而可以实现更小的芯片尺寸和更小的占位面积。

FTEX

使用基于 GaN 的功率器件来开发电动汽车解决方案的公司之一是 FTEX。这家总部位于蒙特利尔的加拿大公司将超高效率的基于 GaN 的传动系统与软件定义的固态传输系统相结合，开发精密电机控制系统，以提高车辆性能、扩展里程并增强驾驶员体验. 从涉及小型电动汽车的应用开始，FTEX 旨在为一系列 3-kW、5-kW、10-kW 和 20-kW 系统提供服务。

FTEX 开发的技术最初包括电源转换器和逆变器，现已部署在用于个人移动的轻型电动汽车 (LEV) 上，这是其进入市场的切入点。根据已经规划好的路线图，该公司将很快转向更高电压和更高功率的汽车（如大功率轻便摩托车和电动摩托车），然后转向汽车市场。

“我们的路线图定义了我们所说的‘核心’：核心 1，用于 [LEV]；Core 2，用于摩托车和雪地摩托；FTEX 的联合创始人兼首席技术官 Alexandre Cosneau 说：“以及针对汽车行业的 Core 3。

FTEX 的解决方案

据 FTEX 称，他们开发了名为 GaNRunner（见图 1）的 Core 1 产品，这是一款面向工业市场的 GaN 驱动逆变器。由 GaN FET 晶体管驱动的优化硬件具有高可靠性、多层故障安全保护和密封防水 IP65 防护等级。主动热管理提高了电动汽车的可靠性和安全性，同时降低了故障发生率。据 FTEX 称，得益于专有的增强软件，可以获得更准确的磁场定向控制波，在高速和低速下提供更平滑的加速和减速。由于 GaN FET 的高效率，与传统的基于硅的 MOSFET 器件相比，GaNRunner 器件具有更少的功率损耗和更低的电流吸收。除此之外，FTEX GaN 逆变器可以在更低的温度下运行，需要更少的热管理组件（例如散热器或风扇）。这允许多达 15% 的范围增加和显着更小的外形。

GaNRunner Core 1 目前有不同版本，适用于高达 3 kW 的电机，涵盖广泛的 LEV，如滑板、自行车、踏板车、机动车辆和轻便摩托车。

“我们的核心知识不仅在于硬件的开发，而且主要在于为其提供支持的固件和软件的开发，”Cosneau 说。

FTEX 的 Core 2 产品是用于商用电动汽车 (EV) 的动态驱动电机控制器（正在申请专利）。据 FTEX 称，得益于该设备的可变直流总线和可调节的软件定义参数，电动汽车制造商将能够为用户及其车辆提供更多按需供电和更远的续航里程。

Dynamic Drive 设备（如图 2 所示）包括一个电源转换器和一个逆变器，它们结合在一起形成了 OEM 的固态解决方案，在其动力系统设计中选择电机和电池时提供了更大的灵活性。最终结果是 EV 动力系统与传统静态直流总线逆变器相比，可提供高达 30% 的功率和续航里程。

结合驾驶员习惯（通过先进的人工智能算法推断）与电池的充电状态和健康状态，以及其他参数（过程中涉及 1,000 多个参数），Dynamic Drive 能够管理能量必须从电池传输到电机。

据 FTEX 称，Core 2 设备将高性能和高频 GaN 晶体管与 FTEX 先进的硬件和软件相结合，提供了一种将 EV 续航里程提高 30% 的动力系统解决方案。GaN 晶体管可为高功率电动汽车应用提供小型、高效和低成本的解决方案。基于增强型 100V GaN 晶体管，动态电机控制器在具有出色热效率的小型封装中提供高功率密度。

FTEX 现在正与其制造合作伙伴和供应商携手合作，将于 2022 年第一季度开始批量生产。 FTEX 的第一代产品将在未来几个月内在选定的发布合作伙伴的车辆上提供。

“FTEX 的第二代 Dynamic Drive 预计将于 2023 年第一季度发货，支持功率高达 20 kW 的大型车辆，”Cosneau 说。“我们目前正在与我们的发布客户一起测试和验证 Dynamic Drive 的优势，并预计今年夏天我们的 Core 2 Dynamic Drives 的首批原型将上路。”


审核编辑：刘清