氮化镓于 400V 及 800V 电动车牵引逆变器设计中优势浮现

GaN Systems 策略营销副总 Paul Wiener 撰

性能与效率对电动车持续发展至关重要。全球电动车市场正快速扩张，电动车也持续朝轻量化、具备更高续航力、电池尺寸微缩及整体系统成本优化等方向发展，高功率、低损耗、小体积且低温的电源系统，成为电源工程师在开发新一代动力系统的首要目标。

这项不断优化的驱动力，也加速了氮化镓 (GaN) 在电动车牵引逆变器上的应用。值得一提的是，与现今硅及碳化硅 (SiC) 功率半导体的解决方案相比，GaN 在 400V 及 800V 系统的应用中都提供显著的优势，且日渐受到市场认可，突显 GaN 功率半导体在未来电动车产业中的关键角色。

400V 氮化镓牵引逆变器

GaN 功率半导体是 400V 动力系统牵引逆变器革新的驱动力，满足工程师的设计面的期待。GaN 功率器件大幅提升能效，减少近 40% 能源耗损，同时提高 33% 功率密度，实现更小巧轻量的牵引逆变器设计。整体来说，基于 GaN 设计的牵引逆变器能满足市场对价格更实惠且续航力更高的电动车的需求。

800V 氮化镓牵引逆变器现踪

基于 GaN 的三阶拓扑设计的牵引逆变器在 800V 系统中应用正加速发展，带来以下设计优势：

• 卓越系统效率：三阶 GaN 拓扑设计在降低开关损耗、提高效率之余，还可减少滤波器和马达中的高频铜损及铁损，较采二阶拓扑设计的系统在整体效率上大幅提升。
• 较小噪音、振动及电磁干扰：三阶 GaN 拓扑生成一个接近正弦波的输出电压，降低 dv/dt 与谐波，减少滤波需求并将滤波器及马达中的高频损耗降到最低，进而降低噪音、振动及声振平顺性 (Noise, Vibration, Harshness, NVH)，较低的共模电压也同步降低了绝缘压力和电磁干扰 (EMI)。
• 耐久性及可靠度优化：较低的共模电压代表了电压峰值受到抑制，这减少过压脉冲的发生机率，使电路运作更平顺稳定。另外，三阶 GaN 拓扑能减少电机马达轴承的负荷，提高的耐久性及可靠度有助于整体系统使用寿命的延长。

电动车市场现况

电动车的发展正处于转折点，2022 年全球电动车销量已突破 1,000 万辆，全球电动车销售量预计将于今年底前增长 35%，达 1,400 万辆。满足消费者偏好、法规和 OEM 的期望意味着电动车要实现最佳运行表现，这需要全盘重新思考逆变器和马达设计。多阶 GaN 拓扑正展露头角，同时提升了系统层面能效和可靠度。

举例来说，由丰田汽车 (Toyota) 和名古屋大学 (Nagoya University) 合作开发的「全氮化镓车」，在牵引逆变器、车载充电器和 DC-DC 转换器中皆采用 GaN 功率组件。相较现今基于硅功率组件的设计，GaN 不仅提高功率密度，更将效率推升 20%，延长车辆的续航里程。

与此同时，知名全球工程公司 Ricardo 设计并比较了 30kW GaN 基逆变器与 SiC 基逆变器。测试结果显示， 基于 GaN 的设计比 SiC 在功率损耗方面减少 25%，功率密度更提高 33%。 有不少 Tier 1 及 OEM 车厂也在高达 250kW 的牵引逆变器设计中得到类似的结果。

GaN 功率半导体无疑是驱动 400V 和 800V 电动车牵引逆变器性能和效率创新的核心技术。随着电动车产业迈向全球大规模普及化，GaN 技术在电动车应用实现的最佳时机已经来临。 从严谨测试和实际应用的结果皆指向一个结论—那便是 GaN 功率半导体将重塑电动车的市场格局。