你将学习:
- 哪些汽车系统和部件有助于提高更高的功率密度?
- GaN有源箝位相移全桥结构的研究。
- 冷却技术，提高功率密度。
最新的设计架构，尤其是在汽车动力电子系统中，对于任何新型混合动力电动汽车(HEV)或电动汽车(EV)的成功都至关重要。在传统的14v电网的基础上，需要一个电压为60v或更高的高压汽车电网。
高压车辆电网结构包括电能存储系统和牵引驱动逆变器。一些混合动力汽车和电动汽车系统架构也可能包含使用直流-直流变换器为低压网络供电的高压电力电子系统。例如，电动空调压缩机、冷却水泵、油泵、牵引母线稳压，以及用于车辆电网的单向或双向接口的交直流转换器。
让我们来看看车辆中各种不同的动力系统和组件，它们有助于提高整体的功率密度架构。
V2X权力
用于V2X(车辆到一切)电源(X代表电网、家庭或负载)的车辆系统动力轨道架构，可以通过使用电池外降压转换器，通过车辆电池电压产生5v总线。这种类型的设计架构能够以2 mhz +切换速率为所有负载点(PoL)设备供电。效率可达到90%以上。如此高的开关率和高效率将大大提高汽车的功率密度。
汽车用GaN fet
在汽车电源设计中使用氮化镓(GaN) fet将实现高功率密度，因为这些设计具有600v的快速开关和更高的性能。当集成驱动器成为解决方案的一部分时，设计师将能够提供高达2倍的功率密度，99%以上的效率，以及减少功率磁铁的尺寸。与碳化硅(SiC)器件相比，在硅基上使用gan可以降低成本，并具有供应链优势。
轻量化和紧凑的动力系统是关键，尤其是电动汽车系统。工程师们现在可以实现电池续航里程的延长和更高的系统可靠性，氮化镓使这种性能增强成为可能。与硅或SiC解决方案相比，采用GaN解决方案的车载充电器和dc-dc转换器的尺寸可缩小50%。
在这里，高频率的开关率和高效率使得车辆的功率密度非常高。
汽车级电流感应电阻和分流器
汽车的功率密度也可以通过适当设计使用电流感应电阻来提高。这些电阻具有非常低的电阻值，良好的脉冲性能，低的温度电阻系数(TCR)，低电感，低噪声。
在达到器件温度极限之前，一个好的电流感应电阻将能够提供出色的脉冲性能，同时吸收更多的电能。电阻器元件也必须相当坚固，能够处理更高的温度。激光切边也有助于减少谐波失真和电路振铃。
当一种材料经历温度变化时，尺寸会随着它的膨胀或收缩而轻微增加或减少。在占空循环或脉冲应用中，电源开关和打开，这将导致重复加热或冷却膨胀/收缩循环。
当表面贴装元件的几何膨胀/收缩速率存在较大差异时，这种热循环可能会导致焊点的长期可靠性问题。这些不同的速率通常被称为热发射系数(CTE)失配。选择一个CTE值的电阻器，接近电路板的FR-4材料的CTE值，将使这种影响最小化，具有更好的长期焊接性能和更低的故障率。
使用汽车电流感应电阻可以提高汽车结构中的功率密度，因为功率额定值随着电阻尺寸的减小而增加。此外，设计人员应选择具有多个串联的电阻器，这样可以在相同尺寸的情况下更换串联。此外，设计师还可以升级到更高的功率等级。全金属结构是这种电阻器的一个积极特点。
设计师，当然，将需要选择一个电阻系列，这是AEC-Q200-符合汽车使用要求。
用于LED照明的汽车级高功率密度电感器
先进的LED驱动设计正在开发中，使用电子元件可以提供更高的发光性能和提高能源效率，所有这些都以更低的成本。供应商现在提供的高功率LED前照灯簇，在高电流下，在更小的占地面积下表现良好。
今天，技术先进的电感器用于LED照明，能够处理更高的温度(高达+155°C)和更高的功率密度。此外，最新的电感可以减少多达一半的足迹。在过去，一个流行的电感在印刷电路板上有一个12.5 × 12.5毫米的相当大的占地面积。今天，制造商已经将这个尺寸缩小到8 × 8.5毫米，保持了几年前的同等性能。定价也已达到在汽车制造业具有竞争力的水平。
汽车应用正变得越来越复杂，因为它们的趋势是每辆汽车超过2到3个LED驱动器。更小的电感器采用了最新的先进技术，比如金属薄膜，从而提高了汽车的功率密度。偏置t和功率过同轴(PoC)电路也要使用具有高阻抗特性的电感器，从而提高功率密度(图一、图二)．
电动汽车的高功率密度设计
GaN有源箝位移相全桥(PSFB)架构在整个负载和电压范围内实现零电压切换。它可以提供1.5 kw, 400- 12v dc-dc变换器，用于汽车应用，具有宽电压和功率范围。即使在低负载条件下，小漏感与实现软开关的能力相结合，导致开关频率显著提高至500 kHz。
这种dc-dc变换器架构能够将电能从电动或混合动力汽车的400v牵引电池传输到12v电力系统。它还确保了安全的电隔离。
转换器的功率密度简化了集成到汽车上。电力电子系统的体积主要由磁性元件控制。功率密度可以通过提高开关频率来提高。通过使用碳化硅或氮化镓晶体管，可以实现极低的传导和低开关能量，这比硅器件好得多。电路拓扑可以在图3．
软开关，结合GaN晶体管和主动箝位，将开关频率提高到500 kHz。这种设计架构在保持高效率的同时也显著提高了功率密度——一款原型机的效率达到了95%以上，功率密度达到12.5 kW/L。
汽车高功率密度的热管理
许多新的电子设备正在进入现代汽车系统，导致汽车内部产生的热量增加。用智能电子设备取代液压和机械设备也是一种趋势。由于这一新的努力，能源效率正在上升，但设计师现在需要管理这些增加的热负荷。热源的数量继续攀升;因此，它们需要分散在车辆有限的体积上。
冷却技术将显著提高功率密度。汽车内部的一些关键区域有不同程度的冷却:
- 第一级适用于半导体封装中的热扩散，目前的技术使用铜、铜/钨和铜/钼热扩散器。
- 第2级适用于设备包装到机箱的热传导。现代技术使用铜和铝的热传播器。
- 第三级是将热量从底盘输送到系统热交换器。这种方法使用强制空气流动以及泵送液体循环。
- 4级适用于系统换热器的散热。现代技术使风冷散热器和散热器成为可能。
汽车的“冷却水平”方法通常使用热扩散器、温度控制和热传输。这些先进的热管理方法，如HiK盘子和VCHPs该公司已通过实验室开发阶段，并已被部署在关键任务的军事和空间系统中。
参考文献
1.“汽车V2X功率的高功率密度参考设计”，德州仪器测试报告，PMP22648。
2.“一种具有全线路和负载范围的零电压开关的GaN 500khz大电流有源箝位移相全桥变换器，”EPE’18 ECCE欧洲。
3.“用于高功率密度汽车设备的先进热管理技术”，Advanced Cooling technologies。
4.“通过组件选择效率支持高速汽车网络PoC方法的引入，”村田。
