氮化鎵IC如何改變電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)

作者 John Wilson Philip Zuk Silicon Labs公司

摘要：隨著(zhù)全球能源結構向低碳能源和節能運輸轉移，節能汽車(chē)產(chǎn)業(yè)面臨著(zhù)挑戰。如今，整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)(EV)市場(chǎng)的增長(cháng)率已經(jīng)超過(guò)傳統內燃機(ICE)汽車(chē)市場(chǎng)增長(cháng)率的10倍。預計到2040年，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)將擁有35%的新車(chē)銷(xiāo)量份額，對于一個(gè)開(kāi)始批量生產(chǎn)不到10年的市場(chǎng)而言，這樣的新車(chē)銷(xiāo)售份額是引人注目的。

　　隨著(zhù)整個(gè)汽車(chē)行業(yè)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(chuàng )新相結合的經(jīng)濟規模，對電動(dòng)汽車(chē)的增長(cháng)起到了至關(guān)重要的作用。電動(dòng)汽車(chē)制造商和設計人員青睞于數字設計，而Canaccord Genuity預計，到2025年，電動(dòng)汽車(chē)解決方案中每臺汽車(chē)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(diǎn)碳化硅(SiC)，在不增加汽車(chē)成本的條件下，如何提高電動(dòng)汽車(chē)的功率輸出和能效。

1 增加功率而非重量

　　電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)別通常包括電池電動(dòng)汽車(chē)(BEV)和插入式混合電動(dòng)汽車(chē)(PHEV)， 也可以包括插電式混合電動(dòng)汽車(chē)(HEV)，盡管該類(lèi)汽車(chē)(HEV)更依賴(lài)內燃機而非電動(dòng)推進(jìn)系統?？紤]到開(kāi)發(fā)混合電動(dòng)汽車(chē)所需的電子器件數量，本文其他篇幅中將混合電動(dòng)汽車(chē)界定為電動(dòng)汽車(chē)的范圍。

　　電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)鼓勵創(chuàng )新電氣系統的設計和開(kāi)發(fā)，以取代以往的機械系統，例如：

　　? 空調機組：向無(wú)刷直流或三相交流電機驅動(dòng)壓縮機轉移;

　　? 真空或氣動(dòng)控制：向電子控制模塊(ECM)轉移;

　　? 線(xiàn)控驅動(dòng)(DbW)系統：向高功率機電執行器轉移;

　　? 停車(chē)制動(dòng)器：向電動(dòng)卡鉗轉移;

　　? 驅動(dòng)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(jìn)的電池管理技術(shù)，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(yè)界正在用更高電壓的電池(24 V和/或48 V)來(lái)替代12 V電池，以適應更高的電力需求，而不增加電線(xiàn)線(xiàn)徑及布線(xiàn)成本。該替換過(guò)程同時(shí)也減少了銅線(xiàn)的重量，提高了驅動(dòng)效率。

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

2 突破成本效益

　　與傳統內燃機汽車(chē)相比，這一點(diǎn)更為明顯。對于電動(dòng)汽車(chē)而言，每一點(diǎn)重量都很重要。重量過(guò)高會(huì )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，整體系統成本也必須順應市場(chǎng)對價(jià)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(chǎn)品的數量以及所需的電池功率。理論上，這意味著(zhù)更多的重量和更高的成本。一般而言，隨著(zhù)總線(xiàn)電壓的增加，硅晶體管開(kāi)關(guān)的成本會(huì )更高，這與汽車(chē)電氣化的要求是相反的。此外，一些新的車(chē)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(shí)質(zhì)上，新型電動(dòng)汽車(chē)系統難以支持HV Si MOSFET、IGBT和超級結等現有半導體技術(shù)。相反，該行業(yè)正在轉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(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)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(kāi)關(guān)速度。 這些功能對于牽引逆變器來(lái)說(shuō)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(shí)，硅上氮化鎵開(kāi)關(guān)為從低kW到10 kW寬范圍的供電系統帶來(lái)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(gè)屬性。氮化鎵提供更低的開(kāi)關(guān)損耗;更快的速度，類(lèi)似RF的開(kāi)關(guān)速度;增加的功率密度;更好的熱預算;此外，對電動(dòng)汽車(chē)尤為重要的是整個(gè)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(wú)橋圖騰柱功率因數校正(PFC)。 隨著(zhù)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(kāi)關(guān)損耗、更快的開(kāi)關(guān)速度、更高的功率密度、更好的熱預算，從而提高電動(dòng)汽車(chē)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(chē)行業(yè)向汽車(chē)電氣化的轉變不僅改變了所用技術(shù)的類(lèi)型，而且對汽車(chē)供應商進(jìn)行了重新定義。傳統的一級供應商從制造機械系統開(kāi)始，而不是從電氣系統開(kāi)始。雖然這些傳統的公司已經(jīng)開(kāi)始針對需求開(kāi)始開(kāi)發(fā)電氣系統，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供應商帶來(lái)了機會(huì )。

　　車(chē)載電力轉換系統最簡(jiǎn)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(chǎng)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(chē)行業(yè)對開(kāi)關(guān)式電源(SMPS)原始設計制造商(ODM)來(lái)說(shuō)，幫助他們進(jìn)行了簡(jiǎn)單且合乎邏輯的市場(chǎng)拓展，這些制造商也很渴望填補汽車(chē)市場(chǎng)不斷擴大的需求缺口。事實(shí)上，鑒于先進(jìn)的電氣系統(特別是使用GaN的電氣系統)需要數十年時(shí)間開(kāi)發(fā)大量專(zhuān)業(yè)技術(shù)，這種新的采購理念是大勢所趨。

　　汽車(chē)行業(yè)受到高度監管，通常需要采購的元件有最佳的質(zhì)量和可靠性，能滿(mǎn)足汽車(chē)電子委員會(huì )(AEC)行業(yè)標準。 SMPS ODM需要置身于滿(mǎn)足這些標準的先進(jìn)半導體器件和主動(dòng)組件的供應商網(wǎng)絡(luò )中。

　　對于氮化鎵來(lái)說(shuō)，在更關(guān)鍵的電子子系統之一，符合AEC標準的器件已經(jīng)存在，即電源開(kāi)關(guān)器件和柵極驅動(dòng)器對。

　　Transphorm提供了一款汽車(chē)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(shù)相比，這些晶體管具有所有主要的GaN優(yōu)勢：開(kāi)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(dòng)器配對，SMPS ODM和一級供應商可以使用Silicon Labs的Si827x隔離式半橋柵極驅動(dòng)器來(lái)構建系統。這些驅動(dòng)器符合AEC-Q100標準，符合汽車(chē)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(kāi)關(guān)。比現有的電力電子開(kāi)關(guān)速度快得多。鑒于此，具有高共模瞬變抑制(CMTI)的高速柵極驅動(dòng)器對優(yōu)化Transphorm GaN FET的性能至關(guān)重要。為此，Si827x驅動(dòng)器的CMTI規格最低為200 kV/μs，這是隔離驅動(dòng)器的最高CMTI規格。

4 氮化鎵確保適應未來(lái)變化

　　氮化鎵材料的節能特性和無(wú)損耗處理高電壓操作的能力，為設計人員在將來(lái)設計電動(dòng)汽車(chē)時(shí)提供了決定性?xún)?yōu)勢，這包括更低的開(kāi)關(guān)損耗、更快的開(kāi)關(guān)速度、更高的功率密度、更出色的熱預算，并進(jìn)一步降低重量和成本。除了電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)之外，基于氮化鎵的電子產(chǎn)品也為進(jìn)一步降低數據中心和消費類(lèi)設備的功耗提供了良機。

　　電動(dòng)汽車(chē)的設計者自從市場(chǎng)形成以來(lái)就已經(jīng)實(shí)現了前所未有的創(chuàng )新，隨著(zhù)汽車(chē)不斷的數字化，未來(lái)將會(huì )出現更多變化。未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)將更酷、更快、更小，為駕駛員(和自動(dòng)駕駛員)帶來(lái)驚人的性能提升，用更少的能源行使更長(cháng)的里程。

　　參考文獻：

　　[1]The electric car market is growing 10 times faster than its dirty gasoline equivalent[EB/OL].(2016-10-13)[2018-6-27].https://thinkprogress.org/electric-vehicle-sales-are-soaring-worldwide-5718b58441c7.

　　[2]Plug-In Electric Vehicle Sales Grew 50% In 1st Half Of 2016[EB/OL].(2016-9-19)[2018-6-27].https://cleantechnica.com/2016/09/19/plug-electric-vehicle-sales-grew-50-1st-half-2016/.

　　[3]Global Plug-in Vehicle Sales for 2016 H1[EB/OL].[2018-6-27].http://www.ev-volumes.com/news/global-plug-in-vehicle-sales-h1-2016/.

　　[4]The Rise of Electric Vehicles: By The Numbers[EB/OL].(2016-3-21)[2018-6-27].https://www.nasdaq.com/article/the-rise-of-electric-vehicles-by-the-numbers-cm595564.

　　[5]Electric vehicles to be 35% of global new car sales by 2040[EB/OL].(2016-2-25)[2018-6-27].https://about.bnef.com/blog/electric-vehicles-to-be-35-of-global-new-car-sales-by-2040/.

　　[6]Making the new silicon: Gallium nitride electronics could drastically cut energy usage[EB/OL].(2015-7-29)[2018-6-27].https://phys.org/news/2015-07-silicon-gallium-nitride-electronics-drastically.html.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第7期第76頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。