Эволюция силовой электроники в области применения силовых агрегатов для электромобилей

Электрификация автомобилей, транспортных средств и необходимой для них зарядной инфраструктуры рассматривается как ключевой фактор развития в области силовой электроники. Использование современных материалов с широкой запрещенной зоной во многих необходимых подсистемах преобразования энергии является мощным стимулом для роста производства силовых устройств и модулей на основе этих материалов.

В этой статье мы кратко излагаем презентацию Фабио Некко, вице-президента и генерального директора подразделения автомобильной энергетики и группы, занимающейся энергетическими решениями в компании onsemi. Этот доклад был представлен на недавнем форуме Mobility Tech Forum 2025 под руководством Маурицио Ди Паоло Эмилио, главного редактора журнала Power Electronics News и Embedded.com.

Основные тенденции в области силовых агрегатов и технологий зарядки электромобилей

• Несмотря на недавнее снижение спроса, ожидается, что в течение следующих 5 лет темпы роста количества электромобилей с аккумуляторами и гибридных электромобилей в годовом исчислении превысят 10%.
• Тенденция к увеличению напряжения на шине с нынешних 400 В до 800 В и более высокого диапазона усиливается. Например, ожидается, что среднегодовой темп роста при напряжении 800 В в течение следующих 5 лет составит около 37%, в то время как среднегодовой темп роста при напряжении 400 В за тот же период составит 12%. К основным преимуществам использования более высоких напряжений относятся более быстрое время зарядки, снижение потерь меди в проводах и, возможно, меньший объем кабелей. Кроме того, обеспечивается более высокая мощность зарядки. В то время как большинство современных двигателей электромобилей имеют мощность менее 220 кВт, ожидается, что в ближайшие несколько лет темпы роста электрификации грузовых машин и внедорожников мощностью более 250 тыс. кВт возрастут.
• Запас хода и время зарядки являются ключевыми факторами, вызывающими озабоченность клиентов. Было предложено множество решений, а некоторые из них реализованы. Например, недавно был анонсирован силовой агрегат с шиной 1000 В при зарядном токе до 1000 А и усовершенствованной технологии работы с аккумуляторами достигается мощность зарядки в мегаватты. Таким образом, гарантирована сверхбыстрая зарядка, а запас хода в 400 км достигается всего за 5 минут зарядки. Один модуль на этой платформе обеспечивает мощность двигателя в 580 кВт, что позволяет увеличить дальность езды и производительность.
• Все более широкое применение карбида кремния (SiC) в электроприводах электромобилей соответствует тенденции к повышению напряжения до 800 В и выше. Производительность и КПД инверторов из SiC по сравнению с традиционными решениями биполярных транзисторов с изолированным затвором из Si повышаются при более высоких напряжениях, при этом, как сообщается, КПД увеличивается на 2% и более в зависимости от таких факторов, как профиль привода. Многие такие производители предлагают полупроводниковые МОП-транзисторы 3-го поколения или выше с напряжением 1200 В, которые подходят для работы по шине 800 В. В упомянутом выше примере устройства напряжением 1000 В использовались полупроводниковые МОП-транзисторы на основе SiC напряжением 1500 В.
• Доступны различные варианты зарядки – от бытовых зарядных устройств мощностью 25 кВт до коммерческих зарядных устройств мощностью более 350 кВт. Важна масштабируемость, а также совместимость с различными производителями транспортных средств. Устройства и модули с широкой запрещенной зоной обеспечивают более высокую плотность энергопотребления, то есть большую мощность на зарядный шкаф, а также сокращают время зарядки.
• В автомобилестроении предъявляются жесткие требования к надежности. В предлагаемом многопользовательском электрокаре для городских условий профиль нагрузки сильно отличается. В этом случае транспортное средство может эксплуатироваться 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Обычные операции управления с одним пользователем могут включать более 1011 циклов переключения, что может значительно увеличиться при использовании многопользовательского подхода. Предлагаются динамические испытания, такие как переключение затвора, а также испытания при высокой температуре/высоком напряжении/высокой влажности, такие как HV-H3TRB. Во многих случаях это тесты, специально разработанные для SiC, поскольку режимы сбоев могут быть уникальными и отличаться от тех, которые наблюдаются при использовании Si. Сбои, связанные с отключением питания, являются одним из наиболее распространенных режимов сбоев в работе силовых устройств. Устройства на основе SiC с более высоким модулем Юнгса подвержены большей нагрузке. Способность SiC выдерживать более высокие температуры, например, 175°C, повышает нагрузку на упаковочные материалы. Это может быть фактором, влияющим на модули большей мощности, а также на усовершенствованные схемы упаковки и охлаждения.
• Производство возобновляемой энергии, системы накопления энергии и их интеграция с системой зарядки/разрядки транспортных средств являются не менее важным аспектом развития электромобилей. Важную роль могут играть централизованные солнечные инверторы напряжением до 1500 В или микроинверторы, где использование устройств на основе SiC и GaN может значительно повысить эффективность. Двунаправленная интеграция с системами накопления энергии обеспечивает доступность электроэнергии, несмотря на колебания мощности источника.
• Помимо силовых устройств, используемых в электромобиле, транспортное средство может быть оснащено множеством полупроводниковых приборов. В сегменте генерации электроэнергии могут использоваться тяговые преобразователи для главной и вспомогательной осей, бортовое зарядное устройство, преобразователи постоянного тока, которые помогают управлять различными вспомогательными подсистемами низкого напряжения, системы автоматического сбора и хранения данных для автоматического и полуавтономного вождения, электронный компрессор, усилитель рулевого управления и стеклоподъемников, информационно-развлекательная программа и т.д. Некоторые из них изображены на рис. 1. Устройства из GaN могут сыграть важную роль в преобразовании энергии постоянного тока в постоянный, в OBC-конвертере и, возможно, в будущих решениях, связанных с тяговыми инверторами. Современный автомобиль может содержать более 500 полупроводниковых устройств.

Варианты широкой запрещенной зоны onsemi

Многолетний опыт, а также недавние приобретения позволили компании onsemi разработать широкий ассортимент устройств с широкой запрещенной зоной, которые могут быть использованы в автомобилестроении. На рис. 2 представлены некоторые из них.

Благодаря использованию МОП-транзисторов из SiC в новых планарных устройствах M3 достигается значительная усадка по сравнению с устройствами предыдущего поколения. В устройствах M3 напряжением 1200 В удельное сопротивление включению улучшено примерно на 25% по сравнению с предыдущим поколением, что позволяет получать более высокую мощность при той же площади матрицы. В январе 2025 года компания onsemi приобрела у Qorvo технологию производства полевого транзистора из Si с управляющим p-n переходом. Такой транзистор обеспечивает более низкое удельное сопротивление при включении, чем МОП-транзистор, и может хорошо подходить для твердотельных выключателей и устройств для отключения аккумуляторных батарей.

В декабре 2024 года компания onsemi также приобрела завод NexGen по производству GaN. Компания NexGen разработала процесс производства вертикальных силовых устройств из GaN на основе ребристой структуры полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

Новые технологии упаковки идут рука об руку с усовершенствованиями устройств. На рис. 3 показаны некоторые изменения в комплектации силовых устройств от onsemi.

Ключевыми факторами являются улучшенные тепловые характеристики, меньшие габариты и большая интеграция.

Вопросы и ответы

В ходе сессии вопросов и ответов, модератором которой выступил Маурицио Де Паоло Эмилио, Фабио Некко затронул несколько ключевых тем, некоторые из них обсуждаются ниже:

• Напряжение на шине 800 В и выше в электромобилях поддерживается благодаря высокому критическому полю с широкой запрещенной зоной. Безопасность батареи потенциально может ограничить напряжение в диапазоне 1000 В. Более высокое напряжение создает большую напряженность электрического поля на упаковке, и для предотвращения образования электрической дуги необходимо регулировать расстояние утечки.
• Технология полевого транзистора из SiC с управляющим p-n переходом имеет то преимущество, что не требует использования оксидного слоя затворов, который может быть источником дефектов захвата в устройствах на МОП-транзисторах. Для конкретного применения могут быть изготовлены устройства меньшего размера благодаря преимуществам полевого транзистора из SiC с управляющим p-n переходом в отношении удельного сопротивления. Полевой транзистор из SiC с управляющим p-n переходом, как правило, последовательно включается с МОП-транзистором низкого напряжения из Si, которое управляет отключением комбинированного устройства. Проблема может заключаться в параллельном подключении нескольких устройств, когда необходимо соблюдать осторожность для предотвращения нежелательных колебаний. В пояснительной записке объясняются некоторые решения, которые могут быть приняты.
• Решение по производству вертикальных силовых устройств из GaN может сыграть ключевую роль в повышении коэффициента усиления по напряжению. Эта технология нуждается в дальнейшем развитии, а ее надежность должна быть доказана, прежде чем она достигнет этапа завершенности.
• Улучшения в упаковке включают в себя использование спекания вместо припоя. Этот процесс может быть использован как для крепления к матрице, так и для обработки металла с верхней стороны. Производители устройств из SiC все больше осознают необходимость повышения гибкости процесса металлизации. Использование спекания с верхней стороны и зажимов позволяет повысить надежность по сравнению с традиционными методами склеивания алюминиевой проволокой и двухсторонним охлаждением. Усовершенствованные составы для формования также являются главным условием обеспечения работы при высоких температурах. С точки зрения интеграции встраивание печатных плат может иметь много преимуществ в плане уменьшения форм-факторов и большей интеграции с остальной подсистемой.
• Устройства на основе Si, такие как БПТИЗ, будут по-прежнему играть важную роль в электромобилях. Одним из примеров являются вспомогательные низкочастотные системы, такие как электронный компрессор. Использование гибрида Si/SiC также является предпочтительным решением в некоторых случаях, когда БПТИЗ работает в режиме полной нагрузки (ускорение), а устройство из SiC – в режиме частичной нагрузки (крейсерская скорость), что позволяет каждой технологии работать с оптимальными характеристиками эффективности.
• Материалы со сверхширокой запрещенной зоной, такие как алмаз и оксид галлия, могут стать важной частью общего набора инструментов. Они обладают значительными теоретическими преимуществами перед SiC и GaN, но сначала необходимо решить многие практические проблемы, связанные с устройством и стоимостью.

В заключение Некко заявил, что компания onsemi не зависит от конкретной технологии. Комплексное системное решение в целом позволяет быстрее освоить рынок и повышает уверенность в использовании технологии.