氮化鎵於 400V 及 800V 電動車牽引逆變器設計中優勢浮現

GaN Systems 策略行銷副總 Paul Wiener 撰

性能與效率對電動車持續發展至關重要。全球電動車市場正快速擴張，電動車也持續朝輕量化、具備更高續航力、電池尺寸微縮及整體系統成本優化等方向發展，高功率、低損耗、小體積且低溫的電源系統，成為電源工程師在開發新一代動力系統的首要目標。

這項不斷優化的驅動力，也加速了氮化鎵 (GaN) 在電動車牽引逆變器上的應用。值得一提的是，與現今矽及碳化矽 (SiC) 功率半導體的解決方案相比，GaN 在 400V 及 800V 系統的應用中都提供顯著的優勢，且日漸受到市場認可，突顯 GaN 功率半導體在未來電動車產業中的關鍵角色。

400V 氮化鎵牽引逆變器

GaN 功率半導體是 400V 動力系統牽引逆變器革新的驅動力，滿足工程師的設計面的期待。GaN 功率元件大幅提升能效，減少近 40% 能源耗損，同時提高 33% 功率密度，實現更小巧輕量的牽引逆變器設計。整體來說，基於 GaN 設計的牽引逆變器能滿足市場對價格更實惠且續航力更高的電動車的需求。

800V 氮化鎵牽引逆變器現蹤

基於 GaN 的三階拓撲設計的牽引逆變器在 800V 系統中應用正加速發展，帶來以下設計優勢：

• 卓越系統效率：三階 GaN 拓撲設計在降低開關損耗、提高效率之餘，還可減少濾波器和馬達中的高頻銅損及鐵損，較採二階拓撲設計的系統在整體效率上大幅提升。
• 較小噪音、振動及電磁干擾：三階 GaN 拓撲生成一個接近正弦波的輸出電壓，降低 dv/dt 與諧波，減少濾波需求並將濾波器及馬達中的高頻損耗降到最低，進而降低噪音、振動及聲振平順性 (Noise, Vibration, Harshness, NVH)，較低的共模電壓也同步降低了絕緣壓力和電磁干擾 (EMI)。
• 耐久性及可靠度優化：較低的共模電壓代表了電壓峰值受到抑制，這減少過壓脈衝的發生機率，使電路運作更平順穩定。另外，三階 GaN 拓撲能減少電機馬達軸承的負荷，提高的耐久性及可靠度有助於整體系統使用壽命的延長。

電動車市場現況

電動車的發展正處於轉折點，2022 年全球電動車銷量已突破1,000萬輛，全球電動車銷售量預計將於今年底前增長 35%，達 1,400 萬輛。滿足消費者偏好、法規和 OEM 的期望意味著電動車要實現最佳運行表現，這需要全盤重新思考逆變器和馬達設計。多階 GaN 拓撲正展露頭角，同時提升了系統層面能效和可靠度。

舉例來說，由豐田汽車 (Toyota) 和名古屋大學 (Nagoya University) 合作開發的「All-GaN Car」，在牽引逆變器、車載充電器和 DC-DC 轉換器中皆採用 GaN 功率元件。相較現今基於矽功率元件的設計，GaN 不僅提高功率密度，更將效率推升 20%，延長車輛的續航里程。

與此同時，知名全球工程公司 Ricardo 設計並比較了30kW GaN基逆變器與 SiC 基逆變器。測試結果顯示， 基於 GaN 的設計比 SiC 在功率損耗方面減少 25%，功率密度更提高 33%。 有不少 Tier 1 及 OEM 車廠也在高達 250kW 的牽引逆變器設計中得到類似的結果。

GaN 功率半導體無疑是驅動 400V 和 800V 電動車牽引逆變器性能和效率創新的核心技術。隨著電動車產業邁向全球大規模普及化，GaN 技術在電動車應用實現的最佳時機已經來臨。 從嚴謹測試和實際應用的結果皆指向一個結論—那便是 GaN 功率半導體將重塑電動車的市場格局。