探討改變電動汽車市場的氮化鎵IC

　　隨著全球能源結構向低碳能源和節(jié)能運輸轉移，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)轉變，電池、電子系統(tǒng)及系統(tǒng)組件創(chuàng)新相結合的經(jīng)濟規(guī)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(shù)字設計，而Canaccord Genuity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。歡迎往下閱讀或點擊“閱讀原文”至Silicon Labs中文社區(qū)觀看完整文章。
　　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)動壓縮機轉移
　　· 真空或氣動控制：向電子控制模塊（ECM）轉移
　　· 線控驅(qū)動（DbW）系統(tǒng)：向高功率機電執(zhí)行器轉移
　　· 停車制動器：向電動卡鉗轉移
　　· 驅(qū)動輪系統(tǒng)：向端到端電氣化轉移
　　邏輯上，這些系統(tǒng)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(xiàn)。
　　上述系統(tǒng)通常依靠由12V電池供電的電路中的中低壓硅（Si）MOSFET（≤150V）。目前業(yè)界正在用更高電壓的電池（24V和/或48V）來替代12V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(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250V-450V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。）
　　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。即使設計中增加了新功能，整體系統(tǒng)成本也必須順應市場對價格的壓力。
　　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和超級結等現(xiàn)有半導體技術。相反，該行業(yè)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）和更高的開關速度。這些功能對于牽引逆變器來說是最佳的，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10kW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(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。

　　圖1：傳統(tǒng)升壓CCM PFC對比采用GaN的無橋圖騰柱PFC
　　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。
　　采購和品質(zhì)保證演變
　　汽車行業(yè)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(tǒng)的一級供應商從制造機械系統(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)供應商帶來了機會。
　　車載電力轉換系統(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(tǒng)提供給汽車行業(yè)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(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，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(wǎng)絡中。
　　對于氮化鎵來說，在更關鍵的電子子系統(tǒng)之一，符合AEC標準的器件已經(jīng)存在，即電源開關器件和柵極驅(qū)動器對。
　　Transphorm提供了一款汽車級AEC-Q101認證的GaN FET—650V TPH3205WSBQAFET，采用TO-247封裝，導通電阻為49mΩ。與硅技術相比，這些晶體管具有所有主要的GaN優(yōu)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(tǒng)規(guī)模、重量和成本（度量取決于應用）。
　　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和一級供應商可以使用Silicon Labs的Si827x隔離式半橋柵極驅(qū)動器來構建系統(tǒng)。這些驅(qū)動器符合AEC-Q100標準，符合汽車半導體器件的標準質(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。比現(xiàn)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(qū)動器對優(yōu)化Transphorm GaN FET的性能至關重要。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。
　　氮化鎵確保適應未來變化
　　氮化鎵材料的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(yōu)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(chǎn)品也為進一步降低數(shù)據(jù)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(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。