氮化鎵IC如何改變電動汽車市場

John Wilson Philip Zuk

摘要：隨著全球能源結構向低碳能源和節能運輸轉移，節能汽車產業面臨著挑戰。如今，整個電動汽車（ EV）市場的增長率已經超過傳統內燃機（lCE）汽車市場增長率的10倍。預計到2040年，電動汽車市場將擁有35%的新車銷量份額，對于一個開始批量生產不到10年的市場而言，這樣的新車銷售份額是引人注目的。

關鍵詞：EV；GaN；lC

隨著整個汽車行業從基于機械系統向數字系統轉變，電池、電子系統及系統組件創新相結合的經濟規模，對電動汽車的增長起到了至關重要的作用。電動汽車制造商和設計人員青睞于數字設計，而CanaccordGenuuity預計，到2025年，電動汽車解決方案中每臺汽車的半導體構成部分將增加50%或更多。本文將探討氮化鎵（GaN）電子器件，也涉及到一點碳化硅（SiC），在不增加汽車成本的條件下，如何提高電動汽車的功率輸出和能效。

1 增加功率而非重量

電動汽車類別通常包括電池電動汽車（BEV）和插入式混合電動汽車（PHEV），也可以包括插電式混合電動汽車（HEV），盡管該類汽車（HEV）更依賴內燃機而非電動推進系統。考慮到開發混合電動汽車所需的電子器件數量，本文其他篇幅中將混合電動汽車界定為電動汽車的范圍。

電動汽車行業鼓勵創新電氣系統的設計和開發，以取代以往的機械系統，例如： ·空調機組：向無刷直流或三相交流電機驅動壓縮機轉移；

·真空或氣動控制：向電子控制模塊（ECM）轉移：

·線控驅動（DbW）系統：向高功率機電執行器轉移：

·停車制動器：向電動卡鉗轉移：

·驅動輪系統：向端到端電氣化轉移。

邏輯上，這些系統需要電子組件，包括眾多半導體器件。鑒于先進的電池管理技術，還將有更多的半導體器件不斷涌現。

上述系統通常依靠由12 V電池供電的電路中的中低壓硅（Si） MOSFET （≤150 V）。 目前業界正在用更高電壓的電池（24 V和/或48 V）來替代12 V電池，以適應更高的電力需求，而不增加電線線徑及布線成本。該替換過程同時也減少了銅線的重量，提高了驅動效率。

到目前為止，驅動輪電氣化還要求汽車擁有第二個250～450 V高壓（HV）電池以及配套電子設備。（注：預計未來電池電壓將升高，這將需要更新更先進電子設備。）

2 突破成本效益

與傳統內燃機汽車相比，這一點更為明顯。對于電動汽車而言，每一點重量都很重要。重量過高會降低產品使用壽命和消費者體驗質量。

而且與任何產品一樣，成本控制（理想情況下，降低成本）仍然是重中之重。即使設計中增加了新功能，整體系統成本也必須順應市場對價格的壓力。

所有這些新系統的推出大大增加了半導體和其他電子產品的數量以及所需的電池功率。理論上，這意味著更多的重量和更高的成本。一般而言，隨著總線電壓的增加，硅晶體管開關的成本會更高，這與汽車電氣化的要求是相反的。此外，一些新的車載系統的性能需要超多數量的硅器件，從而增加了系統規模、重量和成本。

實質上，新型電動汽車系統難以支持HV SiMOSFET、IGBT和超級結等現有半導體技術。相反，該行業正在轉向功能強大的寬帶隙（WBG）技術，包括碳化硅（SiC）和硅上氮化鎵（GaN-on-Si）。

這兩種突破性技術都在電動汽車市場中占有一席之地。

與SilGBT相比，SiC提供更高的阻斷電壓、更高的工作溫度（SiC-on-SiC）和更高的開關速度。這些功能對于牽引逆變器來說是很重要的，因為它們需要間歇地將大量能量傳輸回電池。

與此同時，硅上氮化鎵開關為從低kW到10 kW寬范圍的供電系統帶來了益處，即交流到直流板載充電器（OBC）、直流到直流輔助功率模塊（APM）、加熱和冷卻單元等。

氮化鎵的魅力在于其固有的超越硅的幾個屬性。氮化鎵提供更低的開關損耗；更快的速度，類似RF的開關速度；增加的功率密度；更好的熱預算；此外，對電動汽車尤為重要的是整個系統規模、重量及降低成本。

氮化鎵還使工程師能夠利用這些屬性的系統拓撲：無橋圖騰柱功率因數校正（PFC）。隨著圖騰柱PFC系統功率需求的增加，氮化鎵的益處也隨之增加。

氮化鎵提供更低的開關損耗、更快的開關速度、更高的功率密度、更好的熱預算，從而提高電動汽車的功率輸出和能效，且降低了重量和成本。

3 采購和品質保證演變

汽車行業向汽車電氣化的轉變不僅改變了所用技術的類型，而且對汽車供應商進行了重新定義。傳統的一級供應商從制造機械系統開始，而不是從電氣系統開始。雖然這些傳統的公司已經開始針對需求開始開發電氣系統，但人們對更智能、更具創新性的電氣化的需求卻給非傳統供應商帶來了機會。

車載電力轉換系統最簡單的形式是基本的交流到直流、直流到交流以及直流到直流轉換器。這些轉換器廣泛應用于當今的眾多市場和應用中，包括電源、電信和非機載電池充電器。將這些系統提供給汽車行業對開關式電源（SMPS）原始設計制造商（ODM）來說，幫助他們進行了簡單且合乎邏輯的市場拓展，這些制造商也很渴望填補汽車市場不斷擴大的需求缺口。事實上，鑒于先進的電氣系統（特別是使用GaN的電氣系統）需要數十年時間開發大量專業技術，這種新的采購理念是大勢所趨。

汽車行業受到高度監管，通常需要采購的元件有最佳的質量和可靠性，能滿足汽車電子委員會（AEC）行業標準。SMPS ODM需要置身于滿足這些標準的先進半導體器件和主動組件的供應商網絡中。

對于氮化鎵來說，在更關鍵的電子子系統之一，符合AEC標準的器件已經存在，即電源開關器件和柵極驅動器對。

Transphorm提供了一款汽車級AEC-Q101認證的GaN FET-650 V TPH3205WSBQA FET，采用TO-247封裝，導通電阻為49 mΩ。與硅技術相比，這些晶體管具有所有主要的GaN優勢：開關速度最大提高4倍，降低電壓和電流交叉損耗；功率密度最高增加40%；以及降低了整體系統規模、重量和成本（度量取決于應用）。

然而Transphorm的FET可與大多數現成的柵極驅動器配對，SMPS ODM和一級供應商可以使用SiliconLabs的Si827x隔離式半橋柵極驅動器來構建系統。這些驅動器符合AEC-Q100標準，符合汽車半導體器件的標準質量和文檔要求。

高壓氮化鎵電源在電源行業有些獨特：如前所述，氮化鎵器件以射頻速度開關。比現有的電力電子開關速度快得多。鑒于此，具有高共模瞬變抑制（CMTI）的高速柵極驅動器對優化Transphorm GaN FET的性能至關重要。為此，Si827x驅動器的CMTl規格最低為200kV/μs，這是隔離驅動器的最高CMTl規格。

4 氮化鎵確保適應未來變化

氮化鎵材料的節能特性和無損耗處理高電壓操作的能力，為設計人員在將來設計電動汽車時提供了決定性優勢，這包括更低的開關損耗、更快的開關速度、更高的功率密度、更出色的熱預算，并進一步降低重量和成本。除了電動汽車市場之外，基于氮化鎵的電子產品也為進一步降低數據中心和消費類設備的功耗提供了良機。

電動汽車的設計者自從市場形成以來就已經實現了前所未有的創新，隨著汽車不斷的數字化，未來將會出現更多變化。未來的電動汽車將更酷、更快、更小，為駕駛員（和自動駕駛員）帶來驚人的性能提升，用更少的能源行使更長的里程。

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