氮化镓IC如何改变电动汽车市场

作者 John Wilson Philip Zuk Silicon Labs公司

摘要：随着全球能源结构向低碳能源和节能运输转移，节能汽车产业面临着挑战。如今，整个电动汽车(EV)市场的增长率已经超过传统内燃机(ICE)汽车市场增长率的10倍。预计到2040年，电动汽车市场将拥有35%的新车销量份额，对于一个开始批量生产不到10年的市场而言，这样的新车销售份额是引人注目的。

　　随着整个汽车行业从基于机械系统向数字系统转变，电池、电子系统及系统组件创新相结合的经济规模，对电动汽车的增长起到了至关重要的作用。电动汽车制造商和设计人员青睐于数字设计，而Canaccord Genuity预计，到2025年，电动汽车解决方案中每台汽车的半导体构成部分将增加50%或更多。本文将探讨氮化镓(GaN)电子器件，也涉及到一点碳化硅(SiC)，在不增加汽车成本的条件下，如何提高电动汽车的功率输出和能效。

1 增加功率而非重量

　　电动汽车类别通常包括电池电动汽车(BEV)和插入式混合电动汽车(PHEV)， 也可以包括插电式混合电动汽车(HEV)，尽管该类汽车(HEV)更依赖内燃机而非电动推进系统。考虑到开发混合电动汽车所需的电子器件数量，本文其他篇幅中将混合电动汽车界定为电动汽车的范围。

　　电动汽车行业鼓励创新电气系统的设计和开发，以取代以往的机械系统，例如：

　　• 空调机组：向无刷直流或三相交流电机驱动压缩机转移;

　　• 真空或气动控制：向电子控制模块(ECM)转移;

　　• 线控驱动(DbW)系统：向高功率机电执行器转移;

　　• 停车制动器：向电动卡钳转移;

　　• 驱动轮系统：向端到端电气化转移。

　　逻辑上，这些系统需要电子组件，包括众多半导体器件。鉴于先进的电池管理技术，还将有更多的半导体器件不断涌现。

　　上述系统通常依靠由12 V电池供电的电路中的中低压硅(Si)MOSFET(≤150 V)。 目前业界正在用更高电压的电池(24 V和/或48 V)来替代12 V电池，以适应更高的电力需求，而不增加电线线径及布线成本。该替换过程同时也减少了铜线的重量，提高了驱动效率。

　　到目前为止，驱动轮电气化还要求汽车拥有第二个250~450 V高压(HV)电池以及配套电子设备。(注：预计未来电池电压将升高，这将需要更新更先进电子设备。)

2 突破成本效益

　　与传统内燃机汽车相比，这一点更为明显。对于电动汽车而言，每一点重量都很重要。重量过高会降低产品使用寿命和消费者体验质量。

　　而且与任何产品一样，成本控制(理想情况下，降低成本)仍然是重中之重。即使设计中增加了新功能，整体系统成本也必须顺应市场对价格的压力。

　　所有这些新系统的推出大大增加了半导体和其他电子产品的数量以及所需的电池功率。理论上，这意味着更多的重量和更高的成本。一般而言，随着总线电压的增加，硅晶体管开关的成本会更高，这与汽车电气化的要求是相反的。此外，一些新的车载系统的性能需要超多数量的硅器件，从而增加了系统规模、重量和成本。

　　实质上，新型电动汽车系统难以支持HV Si MOSFET、IGBT和超级结等现有半导体技术。相反，该行业正在转向功能强大的宽带隙(WBG)技术，包括碳化硅(SiC)和硅上氮化镓(GaN-on-Si)。

　　这两种突破性技术都在电动汽车市场中占有一席之地。

　　与Si IGBT相比，SiC提供更高的阻断电压、更高的工作温度(SiC-on-SiC)和更高的开关速度。 这些功能对于牵引逆变器来说是很重要的，因为它们需要间歇地将大量能量传输回电池。

　　与此同时，硅上氮化镓开关为从低kW到10 kW宽范围的供电系统带来了益处，即交流到直流板载充电器(OBC)、直流到直流辅助功率模块(APM)、加热和冷却单元等。

　　氮化镓的魅力在于其固有的超越硅的几个属性。氮化镓提供更低的开关损耗;更快的速度，类似RF的开关速度;增加的功率密度;更好的热预算;此外，对电动汽车尤为重要的是整个系统规模、重量及降低成本。

　　氮化镓还使工程师能够利用这些属性的系统拓扑：无桥图腾柱功率因数校正(PFC)。 随着图腾柱PFC系统功率需求的增加，氮化镓的益处也随之增加。

　　氮化镓提供更低的开关损耗、更快的开关速度、更高的功率密度、更好的热预算，从而提高电动汽车的功率输出和能效，且降低了重量和成本。

3 采购和品质保证演变

　　汽车行业向汽车电气化的转变不仅改变了所用技术的类型，而且对汽车供应商进行了重新定义。传统的一级供应商从制造机械系统开始，而不是从电气系统开始。虽然这些传统的公司已经开始针对需求开始开发电气系统，但人们对更智能、更具创新性的电气化的需求却给非传统供应商带来了机会。

　　车载电力转换系统最简单的形式是基本的交流到直流、直流到交流以及直流到直流转换器。这些转换器广泛应用于当今的众多市场和应用中，包括电源、电信和非机载电池充电器。将这些系统提供给汽车行业对开关式电源(SMPS)原始设计制造商(ODM)来说，帮助他们进行了简单且合乎逻辑的市场拓展，这些制造商也很渴望填补汽车市场不断扩大的需求缺口。事实上，鉴于先进的电气系统(特别是使用GaN的电气系统)需要数十年时间开发大量专业技术，这种新的采购理念是大势所趋。

　　汽车行业受到高度监管，通常需要采购的元件有最佳的质量和可靠性，能满足汽车电子委员会(AEC)行业标准。 SMPS ODM需要置身于满足这些标准的先进半导体器件和主动组件的供应商网络中。

　　对于氮化镓来说，在更关键的电子子系统之一，符合AEC标准的器件已经存在，即电源开关器件和栅极驱动器对。

　　Transphorm提供了一款汽车级AEC-Q101认证的GaN FET — 650 V TPH3205WSBQA FET，采用TO-247封装，导通电阻为49 mΩ。与硅技术相比，这些晶体管具有所有主要的GaN优势：开关速度最大提高4倍，降低电压和电流交叉损耗;功率密度最高增加40%;以及降低了整体系统规模、重量和成本(度量取决于应用)。

　　然而Transphorm的FET可与大多数现成的栅极驱动器配对，SMPS ODM和一级供应商可以使用Silicon Labs的Si827x隔离式半桥栅极驱动器来构建系统。这些驱动器符合AEC-Q100标准，符合汽车半导体器件的标准质量和文档要求。

　　高压氮化镓电源在电源行业有些独特：如前所述，氮化镓器件以射频速度开关。比现有的电力电子开关速度快得多。鉴于此，具有高共模瞬变抑制(CMTI)的高速栅极驱动器对优化Transphorm GaN FET的性能至关重要。为此，Si827x驱动器的CMTI规格最低为200 kV/μs，这是隔离驱动器的最高CMTI规格。

4 氮化镓确保适应未来变化

　　氮化镓材料的节能特性和无损耗处理高电压操作的能力，为设计人员在将来设计电动汽车时提供了决定性优势，这包括更低的开关损耗、更快的开关速度、更高的功率密度、更出色的热预算，并进一步降低重量和成本。除了电动汽车市场之外，基于氮化镓的电子产品也为进一步降低数据中心和消费类设备的功耗提供了良机。

　　电动汽车的设计者自从市场形成以来就已经实现了前所未有的创新，随着汽车不断的数字化，未来将会出现更多变化。未来的电动汽车将更酷、更快、更小，为驾驶员(和自动驾驶员)带来惊人的性能提升，用更少的能源行使更长的里程。

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　　本文来源于《电子产品世界》2018年第7期第76页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。