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汽車電氣化中氮化鎵裝置的應(yīng)用前景

汽車工業(yè)正面臨著尾氣排放越來越嚴(yán)格的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對這個挑戰(zhàn)，各汽車制造商正采取相關(guān)措施提高內(nèi)燃機(jī)和齒輪傳動系統(tǒng)的效率，同時減輕車輛總質(zhì)量，降低阻力系數(shù)。在這樣的背景下，發(fā)揮輔助作用的電氣化裝置開始變得越來越重要。而電氣化程度的不斷提高，使得對相關(guān)設(shè)備的要求也不斷提高，如更高頻率的操作、更高的效率、更緊湊的結(jié)構(gòu)等，但這將引起汽車電氣系統(tǒng)過熱、共振等問題的產(chǎn)生。使用氮化鎵（GaN）裝置進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換和電機(jī)驅(qū)動被認(rèn)為是未來10年實(shí)現(xiàn)更高電氣化系統(tǒng)最具前景的技術(shù)。文中對GaN裝置進(jìn)行了討論。

對GaN裝置需要滿足的需求及其屬性進(jìn)行了詳細(xì)分析。電氣化、機(jī)電一體化的逐步提高，導(dǎo)致汽車系統(tǒng)環(huán)境溫度的提升。為了在這樣高溫的環(huán)境下工作，要求GaN裝置具有較高結(jié)溫性能和較低的熱阻值。混合動力汽車電池電壓達(dá)到100～50V，該值不斷提升，部分新生產(chǎn)的車用驅(qū)動電機(jī)電壓達(dá)到了600V，因而GaN裝置需要具有耐高壓特性。高開關(guān)頻率和功率密度可以縮小無源濾波器元件的尺寸、減輕質(zhì)量并減小體積，因而要求GaN裝置能滿足較高的開關(guān)頻率和功率密度要求。此外，為得到較高的可靠性和使用壽命，要求GaN裝置能承受超過50%的過電壓、2～3倍的過載、超過10的發(fā)動機(jī)振動加速度均方根值，確保其使用壽命達(dá)到10～15年。GaN材料具有寬的直接帶隙、強(qiáng)的原子鍵、高的熱導(dǎo)率，幾乎不被任何酸腐蝕等性質(zhì)和強(qiáng)的抗輻射能力，因而適用于在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件中使用。對低額定電壓和高額定電壓的GaN裝置進(jìn)行分析，討論其是否滿足汽車電氣系統(tǒng)的需求尤其對短路容量問題進(jìn)行了分析。通過將GaN裝置應(yīng)用于混合動力汽車中隔離高壓電池接口和低壓電池接口，對GaN裝置進(jìn)行性能評測，并分析其可靠性和魯棒性。最后得出，與硅裝置相比，GaN裝置具備更快速的開關(guān)、更低的功率損耗及更低的成本優(yōu)勢，將在汽車電氣系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。

Samuel Araujo et al. PCIM Europe International Exhibition and Conference for Power Electronics，Intelligent Motion，Renewable Energy and Energy Management，Germany May 20-22，2014.

編譯：陳丁躍