我們都知道硅 (Si) 如何在功率應用中達到其理論極限，需要新材料表現出更高的效率、更好的熱管理，并且可能允許降低成本和尺寸。氮化鎵 (GaN) 是一種寬帶隙半導體，在電源應用中提供比硅更好的性能，正在取代傳統的基于硅的 MOSFET，用于電路中的高效率和在更高溫度和頻率下運行的能力是強制性要求。相關應用包括所有不同類型的電動汽車 (EV)，它們需要極其高效和可靠的電機控制解決方案，以盡可能地擴展車輛的自主性。

氮化鎵的好處

GaN FET 在幾個方面優于傳統的硅基功率器件，包括：

• GaN 的擊穿場比硅高 10 倍以上（3.3 MV/cm 對 0.3 MV/cm），允許基于 GaN 的功率器件在損壞前支持高 10 倍的電壓。
• 在相同的電壓值下運行，GaN 器件表現出較低的溫度并產生較少的熱量。因此，它們可以在比硅更高的溫度（高達 225?C 及更高）下運行，而硅受到其較低結溫（150?C 至 175?C）的限制。
• 由于其固有結構，GaN可以在比硅更高的頻率下進行開關，具有低 R _DS(on)，并且具有出色的反向恢復。反過來，這會帶來高效率，同時減少開關和功率損耗。
• 作為一種高電子遷移率晶體管，GaN 器件具有比硅器件更高的電場強度，從而可以實現更小的芯片尺寸和更小的占位面積。

FTEX

使用基于 GaN 的功率器件來開發電動汽車解決方案的公司之一是 FTEX。這家總部位于蒙特利爾的加拿大公司將超高效率的基于 GaN 的傳動系統與軟件定義的固態傳輸系統相結合，開發精密電機控制系統，以提高車輛性能、擴展里程并增強駕駛員體驗. 從涉及小型電動汽車的應用開始，FTEX 旨在為一系列 3-kW、5-kW、10-kW 和 20-kW 系統提供服務。

FTEX 開發的技術最初包括電源轉換器和逆變器，現已部署在用于個人移動的輕型電動汽車 (LEV) 上，這是其進入市場的切入點。根據已經規劃好的路線圖，該公司將很快轉向更高電壓和更高功率的汽車（如大功率輕便摩托車和電動摩托車），然后轉向汽車市場。

“我們的路線圖定義了我們所說的‘核心’：核心 1，用于 [LEV]；Core 2，用于摩托車和雪地摩托；FTEX 的聯合創始人兼首席技術官 Alexandre Cosneau 說：“以及針對汽車行業的 Core 3。

FTEX 的解決方案

據 FTEX 稱，他們開發了名為 GaNRunner（見圖 1）的 Core 1 產品，這是一款面向工業市場的 GaN 驅動逆變器。由 GaN FET 晶體管驅動的優化硬件具有高可靠性、多層故障安全保護和密封防水 IP65 防護等級。主動熱管理提高了電動汽車的可靠性和安全性，同時降低了故障發生率。據 FTEX 稱，得益于專有的增強軟件，可以獲得更準確的磁場定向控制波，在高速和低速下提供更平滑的加速和減速。由于 GaN FET 的高效率，與傳統的基于硅的 MOSFET 器件相比，GaNRunner 器件具有更少的功率損耗和更低的電流吸收。除此之外，FTEX GaN 逆變器可以在更低的溫度下運行，需要更少的熱管理組件（例如散熱器或風扇）。這允許多達 15% 的范圍增加和顯著更小的外形。

GaNRunner Core 1 目前有不同版本，適用于高達 3 kW 的電機，涵蓋廣泛的 LEV，如滑板、自行車、踏板車、機動車輛和輕便摩托車。

“我們的核心知識不僅在于硬件的開發，而且主要在于為其提供支持的固件和軟件的開發，”Cosneau 說。

FTEX 的 Core 2 產品是用于商用電動汽車 (EV) 的動態驅動電機控制器（正在申請專利）。據 FTEX 稱，得益于該設備的可變直流總線和可調節的軟件定義參數，電動汽車制造商將能夠為用戶及其車輛提供更多按需供電和更遠的續航里程。

Dynamic Drive 設備（如圖 2 所示）包括一個電源轉換器和一個逆變器，它們結合在一起形成了 OEM 的固態解決方案，在其動力系統設計中選擇電機和電池時提供了更大的靈活性。最終結果是 EV 動力系統與傳統靜態直流總線逆變器相比，可提供高達 30% 的功率和續航里程。

結合駕駛員習慣（通過先進的人工智能算法推斷）與電池的充電狀態和健康狀態，以及其他參數（過程中涉及 1,000 多個參數），Dynamic Drive 能夠管理能量必須從電池傳輸到電機。

據 FTEX 稱，Core 2 設備將高性能和高頻 GaN 晶體管與 FTEX 先進的硬件和軟件相結合，提供了一種將 EV 續航里程提高 30% 的動力系統解決方案。GaN 晶體管可為高功率電動汽車應用提供小型、高效和低成本的解決方案。基于增強型 100V GaN 晶體管，動態電機控制器在具有出色熱效率的小型封裝中提供高功率密度。

FTEX 現在正與其制造合作伙伴和供應商攜手合作，將于 2022 年第一季度開始批量生產。 FTEX 的第一代產品將在未來幾個月內在選定的發布合作伙伴的車輛上提供。

“FTEX 的第二代 Dynamic Drive 預計將于 2023 年第一季度發貨，支持功率高達 20 kW 的大型車輛，”Cosneau 說。“我們目前正在與我們的發布客戶一起測試和驗證 Dynamic Drive 的優勢，并預計今年夏天我們的 Core 2 Dynamic Drives 的首批原型將上路。”


審核編輯：劉清