氮化鎵IC如何改變電動汽車市場

作者 John Wilson Philip Zuk Silicon Labs公司

摘要：隨著全球能源結(jié)構(gòu)向低碳能源和節(jié)能運輸轉(zhuǎn)移，節(jié)能汽車產(chǎn)業(yè)面臨著挑戰(zhàn)。如今，整個電動汽車(EV)市場的增長率已經(jīng)超過傳統(tǒng)內(nèi)燃機(ICE)汽車市場增長率的10倍。預(yù)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(chǎn)不到10年的市場而言，這樣的新車銷售份額是引人注目的。

　　隨著整個汽車行業(yè)從基于機械系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，電池、電子系統(tǒng)及系統(tǒng)組件創(chuàng)新相結(jié)合的經(jīng)濟規(guī)模，對電動汽車的增長起到了至關(guān)重要的作用。電動汽車制造商和設(shè)計人員青睞于數(shù)字設(shè)計，而Canaccord Genuity預(yù)計，到2025年，電動汽車解決方案中每臺汽車的半導(dǎo)體構(gòu)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(nèi)燃機而非電動推進系統(tǒng)?？紤]到開發(fā)混合電動汽車所需的電子器件數(shù)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(yè)鼓勵創(chuàng)新電氣系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，以取代以往的機械系統(tǒng)，例如：

　　? 空調(diào)機組：向無刷直流或三相交流電機驅(qū)動壓縮機轉(zhuǎn)移;

　　? 真空或氣動控制：向電子控制模塊(ECM)轉(zhuǎn)移;

　　? 線控驅(qū)動(DbW)系統(tǒng)：向高功率機電執(zhí)行器轉(zhuǎn)移;

　　? 停車制動器：向電動卡鉗轉(zhuǎn)移;

　　? 驅(qū)動輪系統(tǒng)：向端到端電氣化轉(zhuǎn)移。

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

　　上述系統(tǒng)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(yè)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(yīng)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(qū)動效率。

　　到目前為止，驅(qū)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(shè)備。(注：預(yù)計未來電池電壓將升高，這將需要更新更先進電子設(shè)備。)

2 突破成本效益

　　與傳統(tǒng)內(nèi)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(chǎn)品使用壽命和消費者體驗質(zhì)量。

　　而且與任何產(chǎn)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(shè)計中增加了新功能，整體系統(tǒng)成本也必須順應(yīng)市場對價格的壓力。

　　所有這些新系統(tǒng)的推出大大增加了半導(dǎo)體和其他電子產(chǎn)品的數(shù)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(guān)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(tǒng)的性能需要超多數(shù)量的硅器件，從而增加了系統(tǒng)規(guī)模、重量和成本。

　　實質(zhì)上，新型電動汽車系統(tǒng)難以支持HV Si MOSFET、IGBT和超級結(jié)等現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)。相反，該行業(yè)正在轉(zhuǎn)向功能強大的寬帶隙(WBG)技術(shù)，包括碳化硅(SiC)和硅上氮化鎵(GaN-on-Si)。

　　這兩種突破性技術(shù)都在電動汽車市場中占有一席之地。

　　與Si IGBT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(guān)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(guān)為從低kW到10 kW寬范圍的供電系統(tǒng)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(guān)損耗;更快的速度，類似RF的開關(guān)速度;增加的功率密度;更好的熱預(yù)算;此外，對電動汽車尤為重要的是整個系統(tǒng)規(guī)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(tǒng)拓撲：無橋圖騰柱功率因數(shù)校正(PFC)。 隨著圖騰柱PFC系統(tǒng)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(guān)損耗、更快的開關(guān)速度、更高的功率密度、更好的熱預(yù)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(zhì)保證演變

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

　　車載電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的眾多市場和應(yīng)用中，包括電源、電信和非機載電池充電器。將這些系統(tǒng)提供給汽車行業(yè)對開關(guān)式電源(SMPS)原始設(shè)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(tǒng)(特別是使用GaN的電氣系統(tǒng))需要數(shù)十年時間開發(fā)大量專業(yè)技術(shù)，這種新的采購理念是大勢所趨。

　　汽車行業(yè)受到高度監(jiān)管，通常需要采購的元件有最佳的質(zhì)量和可靠性，能滿足汽車電子委員會(AEC)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 SMPS ODM需要置身于滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的先進半導(dǎo)體器件和主動組件的供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)中。

　　對于氮化鎵來說，在更關(guān)鍵的電子子系統(tǒng)之一，符合AEC標(biāo)準(zhǔn)的器件已經(jīng)存在，即電源開關(guān)器件和柵極驅(qū)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(dǎo)通電阻為49 mΩ。與硅技術(shù)相比，這些晶體管具有所有主要的GaN優(yōu)勢：開關(guān)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(tǒng)規(guī)模、重量和成本(度量取決于應(yīng)用)。

　　然而Transphorm的FET可與大多數(shù)現(xiàn)成的柵極驅(qū)動器配對，SMPS ODM和一級供應(yīng)商可以使用Silicon Labs的Si827x隔離式半橋柵極驅(qū)動器來構(gòu)建系統(tǒng)。這些驅(qū)動器符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，符合汽車半導(dǎo)體器件的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量和文檔要求。

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

4 氮化鎵確保適應(yīng)未來變化

　　氮化鎵材料的節(jié)能特性和無損耗處理高電壓操作的能力，為設(shè)計人員在將來設(shè)計電動汽車時提供了決定性優(yōu)勢，這包括更低的開關(guān)損耗、更快的開關(guān)速度、更高的功率密度、更出色的熱預(yù)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(chǎn)品也為進一步降低數(shù)據(jù)中心和消費類設(shè)備的功耗提供了良機。

　　電動汽車的設(shè)計者自從市場形成以來就已經(jīng)實現(xiàn)了前所未有的創(chuàng)新，隨著汽車不斷的數(shù)字化，未來將會出現(xiàn)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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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第7期第76頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。