Neue Galliumnitrid (GaN)-Technologie kann helfen, Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge schneller aufzuladen und deren Reichweite zu erhöhen. 

19 Nov. 2021
 

Wenn wir hoch-effiziente Schaltkreise produzieren, die in Power Management Lösungen für Elektro- und Hybridfahrzeuge eingesetzt werden, können unsere Kunden effizientere und erschwinglichere Fahrzeuge entwickeln, die Emissionen reduzieren und zu einer saubereren Umwelt beitragen.

Viele Fahrer stehen der Elektromobilität und insbesondere Hybrid- und Elektrofahrzeugen (HEV/EV) immer noch skeptisch gegenüber. Mögliche Gründe hierfür sind Reichweitenangst sowie die Sorge, dass Ladestops zu viel Zeit beanspruchen.

Aber innovative Verbesserungen im Power-Management machen E-Autos immer alltagstauglicher und kostengünstiger.

Hybrid- und Elektrofahrzeuge, die mit der von uns entwickelten neuesten Galliumnitrid (GaN)-Power-Management-Technologie ausgestattet sind, können sich schneller aufladen und auch weitere Strecken bewältigen als Fahrzeuge mit traditioneller Silizium-basierter Ladetechnologie. Autoherstellern die Möglichkeit zu geben, Barrieren zur weitreichenden Akzeptanz von Hybrid- und Elektrofahrzeugen zu beseitigen, liegt uns am Herzen. Wir nutzen so unser Know-how und unsere Erfahrung, um einen Beitrag zur Senkung schädlicher Emissionen, die die Luftqualität und das weltweite Klima verschlechtern, zu leisten.

„Unsere Kunden suchen nach Möglichkeiten, mehr Ladeleistung zu integrieren, ohne dass dabei Fahrzeuggewicht oder Kosten drastisch steigen,” erklärt Steve Lambouses, Manager unseres Hochspannungs-Teams. „Die hochintegrierte GaN-Lösung von TI ermöglicht es Automobilherstellern, Ladesysteme zu entwickeln, die zuverlässiger und kostengünstiger sind und dazu Strom viel effizienter nutzen. Das ist bahnbrechend.”

Zuverlässige Power-Management-Technologie

GaN ist ein äußerst vielseitiges Halbleitermaterial, das bei hohen Temperaturen und Spannungen betrieben werden kann – ein wichtiger Aspekt für Power-Management-Anwendungen wie Leuchtdioden, Solarwechselrichter und erneuerbare Energiespeichersysteme. Im Laufe des letzten Jahrzehnts kamen die GaN-Produkte von TI in einer Reihe von Kommunikations- und Industriedesigns zum Einsatz, wo sie mit jeder neuen Produkteinführung ein neues Niveau in puncto Leistungsdichte und Effizienz erreichen konnten. 

Jetzt kommt GaN endlich auch auf den Automobilmarkt – mit dem branchenweit ersten automotive-qualifizierten Produkt von TI zur Stromversorgung von Onboard-Ladesystemen in Elektrofahrzeugen.

Bei der Herstellung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen bietet GaN von TI wesentliche Vorteile gegenüber traditionellen Silizium oder Siliziumcarbid (SiC)-Bausteinen. Diese traditionellen Materialien haben den entscheidenden Nachteil, dass sie während des Ladevorgangs viel Wärme produzieren und den Wirkungsgrad somit verschlechtern, wodurch sich der Ladevorgang verlängert. Mit dem branchenweit schnellsten integrierten Gate-Treiber kann eine zweimal höhere Leistungsausgabe und damit einhergehend doppelt so hohe Leistungsdichte gegenüber den mit Silizium-MOSFETS erreichten Werten realisiert werden. Ingenieure erhalten damit die Möglichkeit, das Design ihrer Onboard-Ladearchitektur zu optimieren.

„Beim nächsten Schritt in Sachen effizientes Power-Management brauchen wir drei Dinge,” erklärt der Leiter unserer Abteilung „Business Development für Batterieprodukte”. „Erstens, hohe Präzision beim Aufladen. Zweitens, optimaler Schutz des Batteriesystems. Und Drittens, alles muss bezahlbar sein. Lithium-Ionen Batterien können bis zu 30% der Kosten eines Fahrzeugs ausmachen. GaN-basierte Lösungen arbeiten viel effizienter, mit einem um 50% reduzierten Energieverlust. Unsere GaN-Technologie setzt sich mit all diesen Fragestellungen auseinander.”

Schnelleres zuverlässigeres Power-Management

Von kleinen mobilen Kundengeräten und Laptops bis hin zu riesigen Datenzentren, Technologie wird zunehmend vom Power-Management abhängig – und Elektroautos bilden da keine Ausnahme.

Leistungsschalttechnologien wie bipolare Transistoren mit isoliertem Gate und Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren schnitten jahrelang recht gut ab, bereiten Entwicklungsingenieuren jedoch schon seit langem Kopfzerbrechen hinsichtlich ihrer Größe, starken Wärmeabstrahlungseigenschaften und Verzögerungen oder Problemen mit der Schaltgeschwindigkeit.

„Power Management” umfasst alles, was mit Steuerung, Umformung oder dem Schalten von elektrischer Energie mit elektronischen Bauelementen zu tun hat. Ineffizientes Schalten verursacht Leistungsverluste, die größere, schwerere Stromversorgungslösungen und längere Ladezeiten erforderlich machen. Schnelle, präzise Schalttechnik ermöglicht einen nahtloseren und effizienteren Energiefluss und bietet Vorteile, wie z.B. geringere Kosten und kleinere Bauteile.

„Aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeit von GaN-Bauteilen erhalten wir hohe Effizienz, was wiederum die Belastung auf das Kühlsystem in Fahrzeugen verringert.”, sagt Steve. „Als Folge der hohen Effizienz von GaN-Bauteilen, können Systemkosten gesenkt werden. Ebenso kann die Gesamtleistungsdichte erhöht werden, da sich die schweren Induktivitäten um die Stromversorgung herum sich um ca. 60% verringern. Das Ergebnis ist ein geringeres Gesamtgewicht des Fahrzeugs, was wiederum die Reichweite erhöht. Das ist der große Vorteil GaN-basierter Power-Management-Systeme.” 

GaN ermöglicht es HEV/EV-Ingenieuren, eine bis zu doppelt so hohe Leistungsdichte bestehender Lösungen zu erreichen sowie schnelleres Laden der Batterie, einen zuverlässigeren Betrieb und eine höhere Gesamteffizienz in Elektrofahrzeug-Bordladesystemen. 

„GaN gibt es schon seit einer Weile und alle kannten die Vorteile bereits.”, sagt unser Abteilungsleiter. „Aber jetzt wird es von der Theorie in der Automobiltechnik in die Praxis umgesetzt, und das ist natürlich aufregend.”

Die hochintegrierte GaN-Lösung von TI bietet Kosten- und Leistungsoptimierung

Unser innovativer GaN-Baustein ist weit mehr als eine einfache Schaltung. Er bietet unseren Kunden eine vollumfängliche Lösung zur Entwicklung GaN-basierter Onboard-Ladesysteme, deren Verwendung einen entscheidenden Fortschritt für den Hybrid- und Elektrofahrzeugmarkt bedeuten.

Mit unserem Know-how im Automobilbereich kombinierten wir einen von TI hergestellten GaN-auf-Silizium-FET mit einem schnell-schaltenden 2,2-MHz-Silizium-Gate-Treiber, in einem Gehäuse. Damit wollten wir es unseren Kunden ermöglichen, alle wesentlichen Bausteinelemente und die Integration von Schalter-, Controller- und Schutztechnologien einfach auf einem einzelnen Chip zusammenzubringen. 

„Für mich ist das wie eine perfekte Kombination aus Gehirn und Muskelkraft,” sagt Steve. „Der Schalter ist die Muskelkraft, aber die Intelligenz kommt von dem in dem innovativen GaN-Baustein von TI integrierten Controller, der es Entwicklern erst ermöglicht die Höchstleistung aus unserer Lösung herauszuholen.”

GaN im Test

GaN und andere Transistoren mit breitem Bandabstand unterscheiden sich von Silizium-Bausteinen in Material und Bauweise. Deshalb mussten spezielle Testrichtlinien eingeführt werden, um sicherzustellen, dass die Bausteine zuverlässig sind. Die Testrichtlinien sind extrem wichtig, um das Vertrauen in die Zuverlässigkeit von GaN-Bausteinen zu stärken und industrieweite Akzeptanz zu fördern.

Unsere Firma ist Mitbegründer des JC-70 Committee for Wide Bandgap Power Electronic Conversion Semiconductors von JEDEC, mit dessen Hilfe wir Ingenieuren mit nützlichen Informationen zur Entwicklung robuster Designs zur Seite zu stehen. Vor Kurzem brachte das Komitee eine neue Schaltrichtlinie exklusiv für GaN heraus – JEP180: Richtlinie für Schaltzuverlässigkeitsbewertungsverfahren für Stromwandlungsbausteine aus Galliumnitrid.

„Diese neue Richtlinie bietet Ingenieuren eine robuste Grundlage zur Bewertung von Schaltverhalten, und dient so der weiteren Förderung der industrieweiten Akzeptanz von GaN, vor allem in den Bereichen Automobil- und Industrieanwendungen wo Effizienz, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit am Wichtigsten sind,” sagt Dr. Stephanie Watts Butler, GaN-Technology Innovation Architect bei TI.

In den letzten zehn Jahren hat unser firmeneigenes Zuverlässigkeitslabor die Leistung von GaN massiv getestet. Dabei wurden mehr als 40 Millionen Stunden Bausteinzuverlässigkeit und fast fünf Gigawatt-Stunden Betriebszuverlässigkeit getestet, um die langfristige Zuverlässigkeit des Bausteins zu prüfen.

„GaN kann man mit einer Schweizer Präzisionsuhr vergleichen,” sagt Steve. „Es kann ganz präzise eingestellt werden, und wir wissen, wie man es einstellt, dass es die beste Leistung bringt. Unser Testlabor bietet uns diese Möglichkeiten."

Eine sauberere, sicherere, intelligentere Transportwelt

Die Verkaufszahlen für Hybrid-und Elektrofahrzeuge sind in den letzten Jahren rapide nach oben gegangen – fast 60% Wachstum pro Jahr, mit einen geschätzten Anstieg der Verkaufszahlen von derzeit 5,6 Millionen Fahrzeugen auf 30% aller weltweit verkauften Autos bis zum Jahr 2025.1 Das Ladenetzwerk mit ungefähr 25.000 Ladestationen in den Vereinigten Staaten soll dabei auch erheblich erweitert werden.

„Unsere GaN-Power-Management-Technologie bietet Automobildesign-Ingenieuren und Fahrzeugherstellern die Möglichkeit, Ladezeiten erheblich zu verkürzen, Leistungsdichte zu erhöhen, Kosteneffizienz zu steigern, die Reichweite auszubauen und die Zuverlässigkeit zu verbessern,” sagt Steve. „Hindernisse für die Akzeptanz von Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden beseitigt und wir können einen weiteren Schritt hin zu einer saubereren und umweltfreundlicheren Zukunft machen.”

Aus Leidenschaft für eine bessere Welt

Die Entwicklung hochintegrierter GaN-Technologie für Onboard-Ladesysteme in Hybrid- und Elektrofahrzeugen ist nur ein Beispiel dafür, wie TI-Innovatoren die Leidenschaft unseres Unternehmens für Innovation teilen und bessere Lebensbedingungen für alle schaffen möchten. Dadurch dass Elektroniklösungen durch erschwingliche Halbleiter wesentlich günstig werden, können alle Menschen weltweit am Fortschritt teilhaben. Mit jeder Generation von Innovation wird unsere Technologie kleiner, effizienter, zuverlässiger und erschwinglicher, neue Märkte eröffnen sich und Halbleiter können in Elektroniklösungen in allen Bereichen weltweit eingesetzt werden. Für uns bei TI ist dies der wahre technische Fortschritt. Dabei können wir auf unsere jahrzehntelange Erfahrung aufbauen.