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“双碳”背景下,高转换效率的氮化镓应用

2022-01-10 10:33:46 小亿 567

        在“双碳”的发展趋势下,能源转换效率已成为各行各业关注的焦点。据国家统计局公开信息显示,2020年城乡居民总用电量10949亿kWh,单户家庭年平均用电量780kWh。以能源转换效率提升1%为例,全国一年可节省电量109.5亿kWh,节省下来的电量可供单户居民用电1400万年。换算成电动车行驶里程数,可供Model S充电1.68亿次,行驶里程672亿公里,由此可见提升转换效率的重要性。

氮化镓对“双碳”起到什么作用?

“双碳”提出的重点是解决能源问题,而能源的重点就是电力,氮化镓作为高转换效率宽禁带半导体材料的代表,应用于输配电、用电、储能等各个环节中意义重大。低开关损耗特性使得氮化镓功率器件更有利于节能减排,高频的特点也推动了系统向高功率密度的发展。氮化镓已成为了绿色经济发展的驱动力,在双碳的背景下,氮化镓逐渐与更多产业产生交汇点。

氮化镓有高光效、高功率、高频率、耐高温,在相同功率下氮化镓比硅基产品体积小等多个特点,在碳中和、碳达峰的推动下在照明、电机驱动、数据中心、汽车、风光电储等领域得到了充分应用。在构建高效的能源系统,控制化石能源总量方面起到了重要作用。

成本降低、工作电压提高,氮化镓上车持续加速

随着化石能源日益枯竭与绿色产业的兴起,新能源汽车已成为未来的主要发展趋势,但由于经过多年的发展,硅功率半导体的潜在性能已被开发至瓶颈,需要更高效的功率半导体材料来提升新能源汽车的性能。在高效、低能耗、高功率密度方面,氮化镓恰好能满足这一要求。

尽管氮化镓功率器件集合了多种高性能的特性,但在汽车的应用中依然会面临一些问题。根据氮化镓目前的技术水平和材料特性来看,氮化镓功率器件主要应用在800V以下的中低压领域,与汽车逆变器应用的高压需求存在着些许差距。

今年10月,GaNPower正式向外界展示了首款1200V单芯片E型氮化镓功率器件,并将该功率器件中在7A/800V的双脉冲测试板上进行了功率开关的验证。该系列芯片提供了两种封装方式,以满足不同的应用需求,GPIHV30DFN采用的是8*8 DFN的内置引脚封装,GPIHV30DDP5L采用的是TO263-5封装。由于GPIHV30DFN采用的是DFN的封装方式,为保证功率器件在高压状态下开关的可靠性,GaNPower将S-D爬电距离设置为2.8mm,保留了充足的安全距离。同时,GPIHV30DDP5L封装采用了GaNPower独特的专利设计,为器件加入了凯文接线和小型输入电容,用以降低浪涌电压。

该系列芯片的额定击穿为1200V,GaNPower为保证芯片工作的稳定性,在芯片设计时提高了150V的电压裕量,避免在工作过程中出现瞬态尖峰击穿元件。同时,该系列芯片的导电阻Rds为60Ω,并通过低导通电阻的方式降低系统损耗,提高系统的转换效率。

在汽车应用中,汽车的直流母线电压通常在700~800V之间,功率器件的额定电压需要达到1200V,该系列芯片恰好满足这一要求。据GaNPower官方表示,该系列氮化镓功率器件的开关速度比碳化硅功率器件快10倍,非常适用于构建电动汽车车载充电器和电机驱动的功率转换器,从而提高电动汽车续航里程,减少碳排放。

伴随着氮化镓市场的逐渐扩大,有更多的厂商带着价格更低的硅基氮化镓进入市场,加上工艺的升级,氮化镓工作额定电压得以提高,氮化镓有望成为工作电压为20V至1200V应用的首选。


10月,GaN Systems和EPowerlabs通过合作,共同推出了基于氮化镓48V移动应用的DC/DC转换器DDC48-1K。
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图源:GaN Systems

DDC48-1K是一款可在消费、工业和汽车领域应用的48V DC/DC电源转换器,采用了GaN Systems 100V的氮化镓功率晶体管GS61008P,GS61008P采用了获得专利的Island Technology和GaNPX封装,其中Island Technology技术能够提高芯片的电流流通量,GaNPX技术能够将芯片小型化的同时,降低系统的寄生参数,将开关损耗降低了50%,提升系统的转换效率,从而实现电能利用率的最大化。

DDC48-1K的直流输入电压区间为24V~60V,额定输出功率可高达1000W。在一般工作状态下系统转换效率能保持在95%以上,在满载运行时,系统效率可提升至97.5%,高出同类转换器效率的4%。同时这款电源转换器通过氮化镓高效、小尺寸的特性,经体积压缩至传统转换器的1/3,设备功率密度提升至28W/in3,解决了在移动应用中,空间小的物理极限。在重量方面,由于采用了无外壳的设计,再加上基于氮化镓高效的特性,使得元器件用量大幅降低,产品重量仅为345g,相同功率的冷风DC/DC电源转换器重约750g,两者相比DDC48-1K更轻。

高效、高功率密度和质量更轻的氮化镓电源转换器,非常适用于优化电动汽车、工业电动运输设备和机器人等应用的电力系统,从而提升能源利用率,实现节能减排的目的。

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