汽車電氣化并不新鮮。事實(shí)上，最早的電動(dòng)汽車 （EV）是在 1800 年代后期推出的。但新的是遏制燃料排放的壓力越來(lái)越大，以及由半導(dǎo)體創(chuàng)新和可負(fù)擔(dān)性推動(dòng)的消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車的采用激增。

2010 年，電池組每千瓦時(shí)的平均價(jià)格超過(guò) 1，000 美元。到 2024 年，這個(gè)數(shù)字預(yù)計(jì)將降至 100 美元以下。此外，較新的 EV 車型一次充電可行駛超過(guò) 300 英里（480 公里），是 10 年前電動(dòng)汽車的 3 倍。由于這些趨勢(shì)，到 2025 年，多達(dá) 30% 的新車銷售將是電動(dòng)汽車。然而，推動(dòng)更多電動(dòng)汽車并非沒(méi)有電力挑戰(zhàn)。

汽車電氣化中的電力挑戰(zhàn)

隨著汽車制造商開(kāi)發(fā)更具創(chuàng)新性和價(jià)格合理的電動(dòng)汽車技術(shù)，對(duì)高效充電站的需求也越來(lái)越大，以幫助進(jìn)一步提高消費(fèi)者的采用率。獨(dú)立的直流快速充電器可以在短短 30 分鐘內(nèi)將 EV 快速充電至 80% 的容量，而您在家充電可能需要 10 多個(gè)小時(shí)。充電時(shí)間的大幅減少是部署大型直流充電站網(wǎng)絡(luò)的原因之一。然而，這些獨(dú)立充電站的設(shè)計(jì)成本可能很高，并且在正常運(yùn)行和待機(jī)模式下都會(huì)消耗大量電力。為了滿足這些電力需求，工程師的任務(wù)是使電網(wǎng)和車輛內(nèi)部的電子設(shè)備更小、更可靠、更高效、更實(shí)惠。

電動(dòng)汽車生態(tài)系統(tǒng)中的半導(dǎo)體創(chuàng)新

為了在更高的功率水平下實(shí)現(xiàn)最佳的車輛效率和更快的充電時(shí)間，采取整體方法非常重要，首先要全面了解從電源到負(fù)載的整個(gè)系統(tǒng)。對(duì)于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車等快速發(fā)展的應(yīng)用，系統(tǒng)組件需要具有可擴(kuò)展性和靈活性，以適應(yīng)不斷變化的更高電池電壓、雙向充電甚至上市時(shí)間。有兩個(gè)不同的電源管理目標(biāo)——高功率密度和低電磁干擾 （EMI）——在更小的空間內(nèi)提高大功率電動(dòng)汽車和直流充電系統(tǒng)的效率。

功率密度

氮化鎵 （GaN） 正成為功率密度的代名詞，因?yàn)樗拈_(kāi)關(guān)速度比傳統(tǒng)的硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 甚至更新的碳化硅器件快 10 倍。僅當(dāng)驅(qū)動(dòng)源（在本例中為柵極驅(qū)動(dòng)器）的輸出與 GaN FET 的柵極緊密連接時(shí)，才能啟用這種快速開(kāi)關(guān)。

電氣結(jié)果是幾乎完美的方波，振鈴非常小。機(jī)械結(jié)果是變壓器尺寸減小了 59%，進(jìn)而顯著降低了電動(dòng)汽車的整體尺寸和重量，從而延長(zhǎng)了行駛時(shí)間。

GaN 高速開(kāi)關(guān)的另一個(gè)好處是非常高的功率轉(zhuǎn)換效率，在傳統(tǒng)的大功率系統(tǒng)中，它可以在 96% 到 98% 之間變化。因此，這些系統(tǒng)將需要一個(gè)冷卻風(fēng)扇來(lái)消除數(shù)百瓦的熱量浪費(fèi)。典型的 GaN 系統(tǒng)提供超過(guò) 99% 的效率——因此這些系統(tǒng)不僅使用更少的能源，而且還消除了對(duì)冷卻風(fēng)扇的需求。對(duì)于電

低 EMI

包裝不僅僅是為電子元件提供容器；它必須保護(hù)電路免受惡劣條件的影響，并保護(hù)用戶免受極高電壓的影響。創(chuàng)新的半導(dǎo)體封裝可能意味著設(shè)備不僅僅是電路部件的總和。例如，德州儀器 （TI） 將更多功能集成到單個(gè)封裝中的能力正在推動(dòng)更高的功率密度、更高的系統(tǒng)可靠性和更低的整體系統(tǒng)成本。一個(gè)例子是 TI 的帶有集成變壓器的 UCC14240-Q1 DC-DC 偏置電源模塊，它正在取代 EV 系統(tǒng)中的大型和笨重的機(jī)械變壓器。將磁性元件集成到集成電路中是硅和軟件進(jìn)步的結(jié)果，這已經(jīng)超過(guò)了鐵和銅變壓器行業(yè)的進(jìn)步。

此外，如果像電動(dòng)汽車這樣的高功率系統(tǒng)要提高最后 1% 到 2% 的效率增益，工程師將不得不重新設(shè)計(jì)從電源到負(fù)載的整個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)還要挑戰(zhàn)傳統(tǒng)思維。例如，當(dāng)今許多系統(tǒng)中使用的低功耗集中式反激偏置電源必須使用更小的分布式電源架構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，利用集成了 EMI 緩解、提高效率和雙倍功率密度的新知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

走向未來(lái)

TI 半導(dǎo)體使越來(lái)越多的電子產(chǎn)品能夠以比以往更高效、更可靠和更經(jīng)濟(jì)的方式供電。為了在功率方面保持領(lǐng)先，工程師需要能夠以更低的成本將更多的功率封裝到更小的空間中。突破電源管理的界限意味著顛覆當(dāng)前的思維。通過(guò)進(jìn)一步提高系統(tǒng)級(jí)效率、可靠性和成本，半導(dǎo)體創(chuàng)新將繼續(xù)在汽車電氣化中發(fā)揮重要作用。

審核編輯：郭婷