Infineon o znaczeniu GaN dla motoryzacji

Ładowarki pokładowe i HV/LV DC-DC

Ładowarki pokładowe i przetwornice DC-DC oparte na GaN znacząco przyczyniają się do wyższej wydajności ładowania pojazdów elektrycznych (EV), gęstości mocy i lepszego wykorzystania materiałów, przy przesunięciu rynku w kierunku systemów o mocy 20 kW i wyższej.

GaN oferuje kilka kluczowych zalet w porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami opartymi na krzemie: poprawia wydajność, umożliwiając oszczędzanie energii i zmniejsza konieczność rozpraszanie ciepła. Jego wysoka gęstość mocy minimalizuje zużycie materiałów, co prowadzi do bardziej kompaktowych i lekkich konstrukcji. Rozwiązania oparte na GaN umożliwiają opracowywanie mniejszych i tańszych kondensatorów i transformatorów, zmniejszając całkowitą objętość i koszt systemu, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej wydajności. Implementacja technologii GaN umożliwia ponadto wprowadzenie innowacyjnych funkcji, takich jak przełączniki dwukierunkowe i zintegrowana logika.

W przypadku ładowarek pokładowych, dzięki zerowemu ładowaniu zwrotnemu, GaN ułatwia redukcję zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Zapewnia również niższe straty przełączania, umożliwiając łatwiejszą implementację zaawansowanych topologii, takich jak przełączanie przy zerowym napięciu (zero voltage switching, ZVS). W przetwornicach DC-DC wykorzystanie wyższej wydajności przełączania staje się jeszcze ważniejsze – dzięki GaN umożliwia optymalizację rozmiaru i umożliwia opracowywanie systemów chłodzonych powietrzem. Wdrażanie GaN w zastosowaniach mobilnych będzie nadal zyskiwać na dynamice, a pierwsze gotowe do produkcji projekty spodziewane są pod koniec 2025 roku lub na początku 2026 roku.

Falowniki trakcyjne

GaN w samochodowych falownikach trakcyjnych poprawia wydajność, zarówno dla systemów EV 400 V, jak i 800 V. Falownik trakcyjny jest sercem układu napędowego dużej mocy każdego pojazdu elektrycznego i przekształca prąd stały z akumulatora w prąd przemienny, który napędza silnik elektryczny, kontroluje prędkość i moment obrotowy pojazdu. Kluczowym wymaganiem pozostaje maksymalizacja zasięgu jazdy z danego rozmiaru akumulatora, przy jednoczesnym zachowaniu opłacalności dla całego systemu EV. Branża wykorzystuje obecnie zarówno falowniki 400 V (niskokosztowe, o niższej mocy), jak i 800 V (o wyższej wydajności) i zamierza nadal to robić w przyszłości. W kolejnych generacjach układów napędowych 400 V wyższa wydajność przełączania GaN może dodatkowo zmniejszyć straty falownika, szczególnie w warunkach małego obciążenia. Oznacza to istotną poprawę wydajności w rzeczywistych warunkach jazdy, w których układ napędowy spędza większość czasu przy małym obciążeniu. Dzięki tym ulepszeniom GaN może wydłużyć zasięg jazdy lub umożliwić pojazdom korzystanie z mniejszych i tańszych akumulatorów. Ponadto, ponieważ GaN można produkować na płytkach 300 mm, prawdopodobnie stanie się on konkurencyjnym kosztowo rozwiązaniem WBG w układach falowników trakcyjnych 400 V.

GaN znajduje również zastosowanie we wchodzących na rynek układach 800 V. Dzisiejsze falowniki trakcyjne 800 V są już bardzo wydajne i aby umożliwić kolejny postęp wydajności całego systemu, wymaga wprowadzenia innowacji już na poziomie systemu. Dzięki topologii 3-poziomowej w falownikach trakcyjnych straty w silniku elektrycznym mogą zostać znacznie zmniejszone, ponieważ falownik tworzy bardziej sinusoidalne przebiegi. W porównaniu do dzisiejszych najnowocześniejszych falowników 2-poziomowych, falowniki 3-poziomowe typu T mogą dodatkowo zwiększyć wydajność o dodatkowe 3-4 punkty procentowe.

W przypadku 3-poziomowych falowników typu T 800 V dwukierunkowe przełączniki GaN stanowią prawdziwy przełom. W tej topologii dwukierunkowy przełącznik GaN może być używany do zastąpienia dwóch przełączników typu back-to-back w każdej odnodze fazowej. Ze względu na unikalne cechy dwukierunkowego przełącznika GaN, zwiększa się wydajność przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiaru i kosztów półprzewodników. Dlatego połączenie dwukierunkowego GaN o napięciu 650 V, z jednokierunkowymi urządzeniami krzemowymi lub z węglika krzemu o napięciu 1200 V, jest dobrym przykładem innowacji na poziomie systemowym w falownikach trakcyjnych nowej generacji, łączących wyjątkowe zalety różnych technologii półprzewodnikowych.

48 V

Wraz ze wzrostem wykorzystania technologii GaN, w sektorze motoryzacyjnym stopniowo wzrasta popularność architektury zasilania 48V. Zapotrzebowania na moc/prąd współczesnych samochodów wciąż wzrasta. Stanowi to wyzwanie dla konwencjonalnej architektury zasilania 12 V, która aby sprostać wzrostowi mocy, wymagałaby coraz większych, cięższych i jednocześnie trudnych w obróbce wiązek przewodów. Architektura zasilania 48V jest lepiej przystosowana do zwiększonych wymagań, ponieważ wyższe napięcie zmniejsza prąd czterokrotnie (dla tego samego poziomu mocy), a zatem zmniejsza też grubość przewodu nawet 16 razy. Zmniejsza również potrzebę stosowania zacisków śrubowych i złączy o wysokim natężeniu prądu. Z tego powodu przewiduje się, że rynek systemów 48V wzrośnie do 2028 roku o 26,7 procent.

Przejście na architekturę zasilania o wyższym napięciu wymaga komponentów i systemów zasilania, które mogą wytrzymać wyższe napięcia. Ze względu na swoje doskonałe właściwości elektryczne, GaN jest szczególnie korzystny dla architektury 48V. Wysoka ruchliwość elektronów i szeroka przerwa pasmowa umożliwiają niską rezystancję przełączania i jego minimalne straty, co zwiększa wydajność systemu. Ponadto urządzenia GaN mogą pracować przy wyższych częstotliwościach przełączania, co pozwala na stosowanie mniejszych elementów pasywnych, zmniejszając tym samym rozmiar i wagę systemów konwersji mocy. Ponadto tranzystory GaN wykazują pomijalny ładunek odzyskiwania wstecznego, co skutkuje minimalną utratą energii podczas przejść przełączania i poprawioną wydajnością cieplną. GaN wydaje się być oczywistym wyborem w przypadku przetworników DC-DC w systemach 48 V.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!