宽带隙设备优化电动汽车和机器人的移动性和自主性

　　汽车和工业电子产品需要高性能的解决方案，在降低设备尺寸的同时提供能源效率和可靠性。近年来，随着成本的下降，氮化镓 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 器件等宽带隙半导体已成为这些应用中越来越受欢迎的硅开关替代品。

　　GaN 开关最流行的应用是逆变器、电压转换器和快速充电设备。GaN FET 用于需要高开关频率（甚至是兆赫级）的电路。GaN 的导通

　　时间比具有相同 RDS （ON） 的 MOSFET 快四倍。与任何其他功率器件一样，GaN 晶体管需要正确配置和配对的栅极驱动器，以确保器件完全、快速且无意外地开启和关闭。

　　与此同时，与硅相比，碳化硅 MOSFET 技术大大降低了开关损耗，从而提供了更好的导热性。碳化硅技术被广泛认为是硅的可靠替代品，通常采用 TO-247 和 TO-220 封装，可以直接替换现有项目中的 MOSFET 和 IGBT。碳化硅 MOSFET 在更高的工作温度和频率下的稳定工作吸引了研究人员对其在高功率密度功率转换器中的应用的兴趣。

　　无线充电

　　无线充电可在短距离内重新为电池供电，无需任何物理接触，通过利用高频电感和谐振等物理现象，在彼此相距一定距离的发射线圈和接收器之间传输能量。在汽车应用中，路面可以嵌入设备，让兼容设计的电动汽车在道路上行驶时“充满”电池，而不是插入电源插座充电。

　　无线电动汽车 （EV） 充电使用电感器（通常放置在沥青下方）和车载接收器。充电通过磁性板自动进行，磁性板不断为电池充电，无论车辆静止还是行驶。由磁场强度变化产生的共振将能量从一个点转移到另一个点。由于充电器使用功率为数十千瓦的锂离子蓄电池，因此只需几分钟的充电时间即可为车辆供电数公里。

　　GaN Systems 和 WiBotic 联手提供高功率无线充电解决方案，这些解决方案被称为在移动时代实现真正的自治。GaN Systems 广泛的晶体管产品组合使得为数据中心服务器、可再生能源系统、汽车发动机以及工业和消费电子产品等要求严苛的应用设计更小、更便宜、更高效的电源系统成为可能。WiBotic 为机器人、航空电子设备、移动设备和船舶设备提供无线充电和电源优化解决方案。其解决方案可帮助公司优化机器人车队的正常运行时间，并且是各个行业完全自主机器人操作不可或缺的一部分。

　　WiBotic 解决方案可为工业 4.0 工厂环境中使用的自主机器人提供高功率无线充电。

　　电力电子在向工业 4.0 过程的过渡中发挥着重要作用，专注于升级和更新分布在当前工业空间中的数亿台电机、电动驱动器和机器人。工业用电量占全球用电量的 40% 以上。GaN 器件允许更小、更高效的电机，以及更小的精密机器人。机器人技术将大大受益于发动机和无线充电的进步。

　　当前的行业努力旨在提高移动工业机器人的能力，使它们摆脱当前方法强加的限制。为了让这些机器人高效、灵活和不间断地运行，无线充电站必须实现真正的自主性，无需人工操作员与机器人建立物理连接。功率半导体允许自主无线充电，以非常高的开关频率运行，以在狭小的空间内实现高功率，这是设计不需要人工干预的充电系统的必要特征。

　　WiBotic 无线电源系统包括采用 GaN Systems 技术以实现高效率的组件。这些系统允许：

　　数百瓦及以上的快速充电；

　　可以执行自主装载、改变位置而无需浪费钩操作的机器人；

　　更多的机器人正常运行时间，这意味着需要更少的机器人来完成相同的工作量；

　　没有电缆或移动部件，因此系统可以提供的充电循环次数没有限制。

　　氮化镓功率半导体

　　GaN Systems 的旗舰产品 GS-065-150 是一款 650-V GaN 功率晶体管，该公司称这是市场上最强大、最坚固的晶体管。据称，与典型的 IGBT 相比，该器件可将开关损耗降低 99%。

　　基于 GAN Systems 功率晶体管的标准充电系统包括一个 50W 无线功率放大器和一个小型高效控制板。它全面涵盖工业、太阳能、消费和运输应用，包括创新的 AC/DC 和 DC/DC 电源、储能系统、笔记本交流充电器以及用于无人机、机器人、踏板车和 5G 设备的大功率无线充电系统。 最新的汽车创新包括车载 EV 充电器、牵引逆变器和 480 W 四通道 LiDAR 激光驱动器。

　　碳化硅MOSFET特性

　　与硅相比，碳化硅在导热性、开关速度和体积更小的器件方面具有优势。碳化硅超结晶体管具有低开关损耗、高效率、耐高温能力和承受大电流短路的能力。由于降低了冷却要求，它们的低导通电阻 （RDS （on）） 和跨工作温度的出色开关性能简化了电力电子系统的热设计，并具有更高的系统效率。SiC 的低开关损耗导致设计更紧凑，并支持更小的无源元件。

　　“理想的”开关可以在导通状态下承载高电流而不会产生压降，在关断状态下可以阻止高电压而没有损耗，并且可以在状态之间转换而不会产生损耗。对于硅，很难同时实现这些特性，尤其是在存在高电压和电流的情况下。然而，碳化硅 MOSFET 结合了所有三个理想的开关特性：高击穿电压、低导通电阻和高开关速度。

　　目前，碳化硅器件的工作温度在 150°C 到 175°C 之间，热限制主要由封装强加。一些使用特殊技术的 SiC 功率模块可以在 250°C 下运行。此外，碳化硅的热导率是硅的三倍。这些特性有助于降低冷却要求，实现更小、更轻、更便宜的热系统。

　　生产中和道路上电动汽车数量的增加也增加了对通常由 IGBT 驱动的电气系统的需求。低频 IGBT 通常用于这些应用的逆变器和开关中。特别是在电动汽车中，压缩机和加热器的能耗会影响续驶里程；因此，需要更高的效率。

　　汽车市场的另一个趋势是增加电池容量以提高行驶里程。ROHM Semiconductor 为该市场提供广泛的产品系列，包括超低功耗微控制器、标准 IC、碳化硅二极管、MOSFET 和模块。其用于汽车应用的 1，200V IGBT 非常适合用于电子系统的逆变器和用于正温度系数 （PTC） 加热器的开关电路。

　　对节能的需求不断增长，导致在 400-VAC 工业应用中采用基于 SiC 的功率半导体。ROHM 将碳化硅 MOSFET 和用于工业设备的控制电路集成在单个封装中，与传统的基于硅的设计相比，减少了零件数量，并最大限度地降低了组件故障的风险。该产品与硅相比，能效提高了 5%，能量损失减少了 28%。这些特性转化为工业应用中产品尺寸的减小、更高的可靠性和更高的节能效果。

　　碳化硅 MOSFET 的性能经过优化，可最大限度地节省能源。应用包括通用逆变器、交流伺服系统、可编程逻辑控制器 （PLC）、生产设备、机器人和工业照明。ROHM 不仅开发功率半导体，还开发 IC，提供优化的解决方案，为工业设备的更大节能和更高性能做出贡献。

　　审核编辑：郭婷