La tecnologia del nitruro di gallio mira a sostituire il silicio ed aumentare le prestazioni dei veicoli elettrici riducendo i costi. I progressi tecnologici nei veicoli elettrici (EV) stanno costantemente riducendo il costo della BOM del veicolo, creando al contempo efficienze energetiche e nuove soluzioni di design. La combinazione di batterie ad alta densità di potenza e motori elettrici, inverter e caricabatterie di bordo ad alta efficienza contribuisce a ridurre la massa del veicolo, fornendo maggiore autonomia.

Per questo motivo, gli sviluppatori di sistemi di propulsione EV si stanno concentrando maggiormente sui transistor di potenza al nitruro di gallio (GaN). Il GaN ha tutto il potenziale per sostituire il silicio come core dei chip elettronici, e poter soddisfare un crescente bisogno di circuiti più veloci ed efficienti in ambienti ad alta potenza. Esso è in grado di sostenere una maggiore efficienza rispetto al silicio; I semiconduttori GaN hanno una mobilità degli elettroni che è 1.000 volte maggiore, infatti fluiscono più velocemente rispetto al silicio. Questo, a sua volta, fornisce migliori condizioni di gestione termica, con conseguenti opzioni di raffreddamento del sistema più piccoli ed a basso costo.

L’elettronica di potenza dei veicoli elettrici, come mostrato sulla Jaguar I-Pace, offre applicazioni significative per i semiconduttori GaN. (Jaguar)

Come accade con la maggior parte delle nuove tecnologie, c’è sempre un lasso di tempo che intercorre tra i primi impieghi e l’uso consolidato. Il GaN attualmente è a quel punto di svolta verso il consolidamento. Affidabilità comprovata, progressi nella produzione e normative governative per una maggiore efficienza e minori emissioni di CO2 hanno portato ad una maggiore richiesta di GaN da parte della clientela.

I FET GaN (transistor ad effetto di campo, che utilizzano un campo elettrico per controllare il flusso di corrente) offrono un potenziale per una maggiore efficienza e densità di potenza negli inverter di trazione EV, nei caricatori di bordo (OBC) e nei convertitori CC / CC.

Gli inverter basati su tecnologia GaN forniscono un’efficienza maggiore del 70% rispetto agli inverter odierni che utilizzano i tradizionali semiconduttori IGBT (transistor bipolare a gate isolato) che attualmente sono i cavalli di battaglia nel controllo della potenza dei veicoli ibridi e EV.

La conversione di potenza da CC a CC dalla batteria di un veicolo è necessaria per supportare più sistemi a bassa tensione come HVAC e servosterzo. Come nel caso dell’inverter, i semiconduttori di potenza GaN possono aumentare l’efficienza di conversione della potenza del 50% e consentire riduzioni di dimensioni e peso fino al 33%. L’aumento dell’efficienza e la riduzione delle dimensioni e del peso di OBC, inverter di trazione e sistemi CC / CC in un veicolo elettrico contribuiscono a fornire una maggiore autonomia con le attuali capacità della batteria ed una maggiore efficienza.

I vantaggi del GaN

GaN I seguenti esempi forniscono una panoramica di come il GaN viene implementato nelle funzioni del gruppo propulsore EV, nonché i vantaggi in termini di efficienza e densità di potenza dei sistemi basati su GaN:

• Caricatore di bordo: i semiconduttori di potenza GaN contribuiscono a progettare sistemi di propulsione più efficienti in termini di spazio, dando spazio a nuovi volumi per altri componenti del veicolo con l’integrazione OBC.
• Convertitore CC / CC: la conversione dell’alimentazione (ad es. Da 400 V a 12 V o da 48 V a 12 V) dalla batteria del veicolo è necessaria per supportare i sistemi accessori con esigenze di bassa tensione. I diagrammi illustrano un tipico layout GaN e i relativi vantaggi in termini di dimensioni ed efficienza.
• Inverter di trazione: mentre il sistema di propulsione di un veicolo elettrico (inverter di trazione più motore elettrico) è cinque volte più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai motori IC, con costi di manutenzione inferiori e una maggiore durata, il costo iniziale è in media 2,5 volte superiore. L’innovazione tecnologica nei materiali, nella magnetica e nell’elettronica sta creando motori di nuova generazione più efficienti dal punto di vista energetico (minore perdita di potenza attraverso il calore), più compatti e più leggeri. I semiconduttori di potenza GaN sono fondamentali per l’evoluzione degli inverter di trazione e sono in grado di fornire un aumento di potenza superiore al 70% rispetto agli inverter che utilizzano IGBT tradizionali.

L’aumento dell’efficienza e la riduzione delle dimensioni e del peso del sistema di alimentazione consentiranno ai veicoli elettrici di guidare più a lungo senza alcun cambiamento nelle capacità della batteria. Test comparativi condotti nel 2020 da GaN Systems, in collaborazione con uno dei propri clienti, hanno dimostrato che l’efficienza di un inverter di trazione basato su GaN migliora in modo significativo riducendo le perdite di potenza del 50%, con conseguente risparmio energetico della batteria e, in definitiva, un maggiore autonomia di guida.

Utilizzando la Tesla Model S come esempio (peso a vuoto: 2.200 kg / 4.850 lb; capacità della batteria: 75 kWh; potenza massima dell’inverter: 200kW; sistemi di batterie da 400V), il chilometraggio può essere stimato in base a due scenari di guida. Uno scenario è con velocità costante di 60 km / h (37 mph), l’altro si basa sul ciclo di guida Classe 3b della Worldwide Harmonized Light-vehicle Test Procedure (WLTP). Con un inverter basato su GaN, l’autonomia di guida è estesa del 6-10% rispetto ad un inverter di trazione IGBT Si convenzionale.

Un’altra prospettiva è quella della riduzione dei costi del sistema utilizzando l’inverter di trazione con tecnlogia GaN. Con il risparmio energetico e l’alta efficienza, la capacità della batteria può essere ridotta per la stessa autonomia di guida per un ciclo di ricarica. Il grafico allegato derivato dal test del 2020 confronta i risultati ΔTtra i transistor GaN e IGBT a diversi carichi di potenza. Con un sistema diraffreddamentoΔT (Tj-Tfluid) inferiore (differenza di circa 20 ° C), la soluzione GaN riduce il volume delle dimensioni del sistema di raffreddamento del 40%, con un notevole risparmio sui costi.Inoltre, con il sistema GaN che funziona a temperature più basse, l’affidabilità e la longevità del sistema migliorano nettamente.

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