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提高电动车充电率 TI推升车用GaN FETs开关频率性能
 

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

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为了加速电动车(EV)技术导入,满足消费者对续航里程、充电时间与性价比的要求,全球汽车大厂在研发上需要更高的电池容量、更快的充电性能,同时尽可能降低或维持设计尺寸、重量或元件成本。透过EV车载充电器(OBC),家用、公用或商用充电站可以直接以AC电源为电池充电。这项技术目前也正快速发展。

德州仪器Ramanan Natarajan指出,为提高充电率,OBC的额定功率已从3.6kW提升至22kW,不过设计人员也必须思考如何在不影响续航里程的前提下,将OBC与电动车既有机械系统整合。业界的另一趋势,是将现今OBC低於2kW/L的功率密度逐步提高至4kW/L。

OBC是一种开关式功率转换器,主要由变压器、电感器、滤波器、电容器等被动元件与散热器组成。提高开关频率能减少被动元件的尺寸,但金氧半场效应电晶体(MOSFETs)、绝缘栅双极电晶体等开关元件的功耗也会随之提高。

元件尺寸缩小後,能用於排热的表面积也减少,因此必须进一步降低功耗,才能维持元件温度不变。达成高功率密度需要同步提升开关频率与效率,这是过去矽基功率元件无法克服的难题。

Ramanan Natarajan解释,追求提高开关速度(元件端点之间电压与电流的变化速度)的同时,必须减少开关能量损耗,否则实际最大频率将会受限。采用低电感电路布局设计、端点间寄生电容低的功率元件,将是未来的研发方向。

氮化??(GaN)、碳化矽(SiC)等宽能隙功率半导体具有优良的物理特性,使用此类材料开发的功率元件,能实现极低的电容以及理想的导通电阻。相同晶粒体积下,MOSFET有较高的崩溃电压值,氮化??的崩溃临界电场高於矽的10倍,电子迁移率也比矽高出33%,具有低导通电阻与低电容的双重优点。因此,与矽元件相比,氮化??与碳化矽FETs能在更高的开关速度下运作,且功率损耗更低。

运用氮化??的特性,设计人员能在更高的开关频率上达成高效率。额定电压为650V的GaN FETs能支援高达10kW的应用,例如伺服器AC/DC电源、EV高电压DC/DC转换器与OBC(平行堆叠达到22kW)。高达1.2kV等级的高载流能力碳化矽元件,则适用於EV牵引逆变器与大型三相电网转换器。

此外,高频设计也是另一挑战。一般而言,开关数百伏特时,上升与下降时间为10ns,因此在设计上须特别谨慎,避免寄生杂散电感效应。这方面,FETs与驱动器之间的共源极与闸极??路电感为两大考量因素。

Ramanan Natarajan表示,共源极电感会限制汲极到源极的瞬态电压(dV/dt)与瞬态电流(dI/dt),降低开关速度,并在硬切换时提高重叠损耗、在软切换时延长转换时间。闸极??路电感会限制闸极电流(dI/dt),降低开关速度,并在硬切换时提高重叠损耗;而且容易发生米勒导通现象,提高额外功耗的风险。设计人员必须避免闸极氧化层承受电压过载,否则将减损设计可靠性。

为了因应这些状况,工程师可能须采用铁氧体磁珠与阻尼电阻,但同时也会降低开关速度,难以提升频率。氮化??与碳化矽元件虽然适用於高频运作,但要充分发挥材料优势,尚须克服系统上的设计挑战。

TI全方位整合式650V车用GaN FETs能发挥氮化??的材料优点,实现高效率、高频率开关性能,且不会衍生设计与元件选择问题。透过低电感四方扁平无引线(QFN)封装,GaN FETs与驱动器近距离整合後,能大幅减少寄生闸极??路电感,因此无须担心闸极过载或寄生米勒导通现象。同时,低共源极电感能实现快速切换、减少功耗。

LMG3522R030-Q1结合了C2000即时微控制器的先进控制性能,例如TMS320F2838x或TMS320F28004x,有助提高1MHz以上功率转换器的开关频率,与现有矽基或碳化矽解决方案相比,能降低59%的磁性元件尺寸。

与分离式FETs相比,LMG3525R030-Q1具有大於100V/ns的汲极到源极转动率,经验证能有效减少高达67%的开关损耗,且能於30V/ns至150V/ns之间弹性调整,有助在效率与电磁干扰之间取得理想平衡,减少下游产品设计风险。

此外,LMG3525R030-Q1的整合式电流保护可提升耐用度,更配备创新性能,包括用於主动电源管理的数位脉冲宽度调变温度感测、健康状态监控以及理想二极体模式等,可省去主动控制死区时间的麻烦。采用12mm x 12mm顶部冷却QFN封装也有助提升热管理效能。

關鍵字: GaN  电动车  车载充电器  功率组件  TI 
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