電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)越來(lái)越簡(jiǎn)化 高功率GaN還是藍(lán)海市場(chǎng)

目前，電動(dòng)汽車(chē)電池行業(yè)五分之二的頂級(jí)公司在中國(guó)，國(guó)內(nèi)各種電動(dòng)汽車(chē)保有量已超過(guò)400萬(wàn)臺(tái);更有預(yù)測(cè)說(shuō)：到2030年，中國(guó)將占全球電動(dòng)汽車(chē)（EV）電池價(jià)值鏈的三分之二。這說(shuō)明什么？電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，但是，其續(xù)航里程仍是消費(fèi)者最關(guān)心的問(wèn)題之一，也是主機(jī)廠改善消費(fèi)體驗(yàn)，從而打動(dòng)用戶(hù)的重要賣(mài)點(diǎn)，特別是充電時(shí)間。

另外，由于先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和信息娛樂(lè)和功能控制系統(tǒng)等新功能的不斷增加，使車(chē)輛整體能耗越來(lái)越大。因此，必須利用更先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)提升能量密度、充電效率和可靠性，同時(shí)減小體積和重量，讓電動(dòng)汽車(chē)跑得更遠(yuǎn)，與燃油汽車(chē)有相同的充電體驗(yàn)和續(xù)航里程。這就是近來(lái)人們聽(tīng)到的：汽車(chē)越智能，就越需要GaN（氮化鎵）。

“減重瘦身”勢(shì)在必行

目前，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池雖然已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但是，電池續(xù)航能力仍然是制約電動(dòng)汽車(chē)持續(xù)快速發(fā)展的重大瓶頸之一，而過(guò)大的車(chē)重更是阻礙了續(xù)航里程的進(jìn)一步提升。根據(jù)國(guó)創(chuàng)中心的一項(xiàng)研究，對(duì)比國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)普遍偏重。

我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)比國(guó)外同級(jí)車(chē)偏重比

致力于汽車(chē)智能化和輕量化產(chǎn)品研發(fā)和制造的保隆科技副總裁、汽車(chē)金屬管件單元總監(jiān)陳洪泉對(duì)此深有感觸。他表示，應(yīng)用輕量化零部件對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程的提升有明顯效果。有研究表明，純電動(dòng)汽車(chē)重量每降低10kg，續(xù)航里程可增加2．5km。

他認(rèn)為，輕量化是續(xù)航里程提升的基石，對(duì)于新能源車(chē)企而言，采用輕量化零部件對(duì)整車(chē)“減重瘦身”后，除了有效緩解車(chē)主里程焦慮，還能提升汽車(chē)的操控性能。

他說(shuō)：“隨著消費(fèi)升級(jí)，消費(fèi)者對(duì)于汽車(chē)的要求已經(jīng)不再是簡(jiǎn)單的‘能開(kāi)就行’，而是對(duì)汽車(chē)提出了更高的要求。輕量化可以帶來(lái)加速和制動(dòng)方面的性能提升，進(jìn)一步滿(mǎn)足消費(fèi)者的購(gòu)車(chē)新需求，更有望獲得政府補(bǔ)貼。還有一點(diǎn)不容忽視，由于電池重量在車(chē)中占比較大，輕量化還有助于車(chē)企設(shè)計(jì)車(chē)輛時(shí)將更多重量分配給電池，從而進(jìn)一步提升續(xù)航里程?！?/p>

當(dāng)然，整車(chē)的減重瘦身不可能一蹴而就，必須從最基本的零部件做起，尤其是電子部件越來(lái)越多的電動(dòng)汽車(chē)，提高功率密度、減少元器件用量都可以為輕量化做出貢獻(xiàn)。

GaN之于汽車(chē)又有突破

在電子技術(shù)的推動(dòng)下，汽車(chē)工業(yè)在許多方面正在經(jīng)歷一場(chǎng)復(fù)興。其首要目標(biāo)是更安全的汽車(chē)、更好的駕乘體驗(yàn)、更高的能效和更低的擁有成本。

GaN是一種采用顛覆性工藝技術(shù)的第三代半導(dǎo)體，其物理性能比硅穩(wěn)定得多，帶隙寬，具有耐高溫性和較好的導(dǎo)熱性。它是有助于從內(nèi)燃機(jī)向電動(dòng)汽車(chē)和智能汽車(chē)轉(zhuǎn)變的不可多得的選擇。通常采用的技術(shù)是成熟的硅基GaN（GaN-on-Si），它可以使系統(tǒng)變得更小、更輕、更高效、總體系統(tǒng)成本更低。

最近，GaN已突破了600V耐壓的臨界點(diǎn)，走向了車(chē)規(guī)功率應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，GaN已經(jīng)提前進(jìn)入了汽車(chē)應(yīng)用市場(chǎng)。

GaN已經(jīng)提前進(jìn)入汽車(chē)應(yīng)用市場(chǎng)

電動(dòng)汽車(chē)要想實(shí)用，就必須縮小組件的尺寸，把重量減到最小，因?yàn)槊恳还镏亓慷紩?huì)減少有效載荷，縮短續(xù)航里程。

那么，GaN是如何增加能量密度和系統(tǒng)效率，提高電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力呢？將相同尺寸組件的功率輸出加倍可大量節(jié)約成本，還有助于快速充電。這可以通過(guò)在高頻率下控制車(chē)載充電器（OBC）或快速DC充電器中的PFC（功率因數(shù)校正）級(jí)和DC-DC功率轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣做還減小了磁性元件尺寸，有助于實(shí)現(xiàn)高功率密度。對(duì)于給定應(yīng)用，更高的系統(tǒng)效率可帶來(lái)更低損耗和使用更小的散熱器方案，還可降低器件上的熱應(yīng)力，有助于延長(zhǎng)使用壽命。在越來(lái)越擁擠的汽車(chē)中，面積、體積和重量都意味著成本！當(dāng)然，還必須提高可靠性，防止自燃事故的發(fā)生。

欲復(fù)制功率MOSFET的成功

現(xiàn)在功率MOSFET已在汽車(chē)中廣泛應(yīng)用，其導(dǎo)入汽車(chē)之初與今天的GaN如出一轍。EPC公司CEO兼共同創(chuàng)始人Alex Lidow博士回憶道：“44年前，當(dāng)我第一次開(kāi)發(fā)功率器件時(shí)，還是使用硅功率雙極晶體管?！?978年，他的國(guó)際整流器公司（IR，2015年被英飛凌收購(gòu)）推出了功率MOSFET，作為一種更快開(kāi)關(guān)速度的替代品，它取代了較慢和老化的雙極器件。功率MOSFET的早期采用者是臺(tái)式計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電源，先是蘋(píng)果，然后是IBM。

他說(shuō)，直到20世紀(jì)80年代中期，功率MOSFET的量產(chǎn)才使功率MOSFET的成本與雙極晶體管相當(dāng)。那時(shí)，IR發(fā)起了替代雙極晶體管的進(jìn)攻，目標(biāo)是占據(jù)雙極晶體管市場(chǎng)最大份額的摩托羅拉。摩托羅拉回應(yīng)：MOSFET存在可靠性、高價(jià)格和不可靠的供應(yīng)鏈等問(wèn)題。這和今天的第三代半導(dǎo)體GaN相仿。

盡管如此，功率MOSFET仍然在雙極晶體管占主導(dǎo)地位的應(yīng)用中獲得了認(rèn)可。摩托羅拉認(rèn)識(shí)到這項(xiàng)新技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，也推出了功率MOSFET，并承諾：兩項(xiàng)技術(shù)“我們都做，所以從我們這里購(gòu)買(mǎi)最好”。問(wèn)題是，它沒(méi)有做出最好的功率MOSFET，最終輸?shù)袅税雽?dǎo)體材料之爭(zhēng)。

此時(shí)此刻，GaN正在挑戰(zhàn)功率MOSFET的霸主地位。GaN晶體管開(kāi)關(guān)比MOSFET快10倍，比IGBT快100倍。GaN正在復(fù)制功率MOSFET的成功歷史！

電氣化改變汽車(chē)，GaN改變?cè)O(shè)計(jì)

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Strategy Analytics的動(dòng)力總成、車(chē)身、底盤(pán)和安全服務(wù)總監(jiān)Asif Anwar表示：“GaN等寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)無(wú)疑為汽車(chē)電力電子設(shè)備（尤其是高壓系統(tǒng)）帶來(lái)了更穩(wěn)定的性能。而硅基氮化鎵器件的生產(chǎn)、封裝與優(yōu)化的硅基驅(qū)動(dòng)器技術(shù)結(jié)合，將使之更快導(dǎo)入汽車(chē)應(yīng)用。”

電氣化正在改變汽車(chē)行業(yè)，而GaN正在改變工程師設(shè)計(jì)汽車(chē)的方式。他們需要在不影響汽車(chē)性能的同時(shí)，設(shè)計(jì)出更緊湊、輕便的汽車(chē)系統(tǒng)。與現(xiàn)有的硅或同屬第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）解決方案相比，使用新型車(chē)用GaN FET（氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)管）可將車(chē)載OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸減少多達(dá)50%，使工程師能夠延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，提高系統(tǒng)可靠性，并降低設(shè)計(jì)成本。

在汽車(chē)設(shè)計(jì)中，這些新器件還可在更低功耗和占用更小電路板空間的情況下，實(shí)現(xiàn)更高的效率和功率密度。

GaN的特性決定了其最佳的性能、效率和可靠性，比一流的SJ MOSFET還要出色;它本身就少一個(gè)體二極管，開(kāi)關(guān)速度比硅解決方案更快更高效。無(wú)論是提高系統(tǒng)功率密度，還是開(kāi)關(guān)頻率，GaN都可以縮小設(shè)計(jì)尺寸，降低設(shè)計(jì)重量和成本。

GaN與SJ MOSFET（SuperJunction，超級(jí)結(jié)）、硅的綜合性能比較

此外，它還可以通過(guò)降低開(kāi)關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗，同時(shí)消除逆向恢復(fù)損耗來(lái)提高能效?？傊こ處熆梢垣@得三個(gè)方面優(yōu)勢(shì)：易于設(shè)計(jì)、高效和高可靠性的解決方案。

如何做到呢？

德州儀器（TI）高壓電源解決方案副總裁Steve Lambouses表示：“汽車(chē)應(yīng)用越來(lái)越需要在更小的空間內(nèi)提供更多的電力，設(shè)計(jì)人員必須提供能在汽車(chē)長(zhǎng)久生命周期內(nèi)可靠運(yùn)行的電源管理系統(tǒng)。憑借超過(guò)4000萬(wàn)小時(shí)的器件可靠性測(cè)試和超過(guò)5GWh的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用測(cè)試，我們的GaN技術(shù)已能夠?yàn)楣こ處熖峁M(mǎn)足市場(chǎng)需求的可靠的全生命周期保障?！?/p>

來(lái)看看這顆可以幫助工程師實(shí)現(xiàn)OBC兩倍功率密度和更高效率的器件LMG3525R030-Q1。

功率密度、效率和體積都要兼顧

與現(xiàn)有解決方案相比，這款帶集成驅(qū)動(dòng)器、內(nèi)部保護(hù)和有源電源管理的車(chē)用GaN FET采用快速開(kāi)關(guān)的2．2 MHz集成柵極驅(qū)動(dòng)器，可幫助工程師提供兩倍的功率密度和高達(dá)99%的效率，并將電源磁性器件的尺寸減小59%。與碳化硅（SiC）等同類(lèi)襯底材料相比，利用GaN材料和在硅基氮化鎵襯底上的加工工藝開(kāi)發(fā)的新型FET更具成本和供應(yīng)鏈優(yōu)勢(shì)。

歸納起來(lái)，新的解決方案優(yōu)勢(shì)有三：

1．以更少器件實(shí)現(xiàn)翻倍功率密度

在電動(dòng)汽車(chē)等高電壓、高密度應(yīng)用中，電路板空間最小化是設(shè)計(jì)中的重要目標(biāo)。隨著電子系統(tǒng)變得越來(lái)越小，其內(nèi)部組件也必須不斷縮小并更加緊湊。新型GaN FET集成了快速開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器以及內(nèi)部保護(hù)和溫度感應(yīng)功能，使工程師能夠在電源管理設(shè)計(jì)中減小電路板尺寸、降低功耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能。這種集成再加上TI GaN技術(shù)的高功率密度，使工程師能夠?qū)⒎至⒔鉀Q方案的組件減少10多個(gè)。此外，在半橋配置中應(yīng)用時(shí)，每個(gè)新型30mΩ FET均可支持高達(dá)4 kW的功率轉(zhuǎn)換。

2．降低固件復(fù)雜性，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間

過(guò)去，要獲得快速開(kāi)關(guān)性能，就會(huì)有更高的功率損耗。為了避免這種不利后果，新型GaN FET采用了智能死區(qū)自適應(yīng)功能，以減少功率損耗。例如，在PFC中，與分立式GaN和SiC MOSFET相比，該功能可將第三象限損耗降低多達(dá)66%，同時(shí)無(wú)需控制自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間，從而降低了固件復(fù)雜性和開(kāi)發(fā)時(shí)間。

3．更大限度提高熱性能

采用TI GaN FET的封裝產(chǎn)品，其熱阻抗比性能最接近的同類(lèi)產(chǎn)品低23%，因此，工程師可以使用更小的散熱器，同時(shí)簡(jiǎn)化散熱設(shè)計(jì)。無(wú)論應(yīng)用場(chǎng)景如何，這些新器件均可提供更大的散熱設(shè)計(jì)靈活性，并可選擇底部或頂部冷卻封裝。

此外，F(xiàn)ET集成的數(shù)字溫度報(bào)告功能還可實(shí)現(xiàn)有源電源管理，使工程師能在多變的負(fù)載和工作條件下優(yōu)化系統(tǒng)的熱性能。

德州儀器高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部氮化鎵功率器件產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理Steve Tom在展示產(chǎn)品時(shí)說(shuō)，由兩個(gè)LMG3525 30mΩ GaN FET組成的LMG3525R030-Q1 650V車(chē)用GaN FET評(píng)估板，使用半橋配置了所有必需的偏置電路和邏輯/功率電平轉(zhuǎn)換功能，通過(guò)插座可輕松與外部功率級(jí)連接。采用散熱板時(shí)，轉(zhuǎn)換功率高達(dá)5000W，如果使用液體冷卻，轉(zhuǎn)換功率可提升至6000-7000W。

650V車(chē)用GaN FET評(píng)估板

他最后總結(jié)說(shuō)：“TI GAN通過(guò)集成FET、高速柵極驅(qū)動(dòng)器及保護(hù)功能簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，節(jié)省組件數(shù)量和布板時(shí)間。不僅簡(jiǎn)化了布局，還極大地降低了電感尺寸，并改進(jìn)了GAN開(kāi)關(guān)，最低限度減少了振鈴，提高了效率。還能確保設(shè)計(jì)具有出色的可靠性，延長(zhǎng)器件壽命。通過(guò)內(nèi)置的高速、過(guò)流和過(guò)溫功能，可以保護(hù)系統(tǒng)中的GAN器件，防止發(fā)生擊穿?！?/p>

高功率GaN還是藍(lán)海市場(chǎng)

目前，很多廠商在推廣SiC技術(shù)，也有一些廠商卻與GaN結(jié)下了不解之緣，他們?cè)谂ψ屢言谥髁飨M(fèi)市場(chǎng)（手機(jī)快充）應(yīng)用的功率GaN超越SiC，圍繞汽車(chē)等高功率應(yīng)用的爭(zhēng)奪已悄然展開(kāi)。

不過(guò)，GaN是一個(gè)全新的技術(shù)，其應(yīng)用還是藍(lán)海市場(chǎng)，市場(chǎng)需要這樣的先驅(qū)者。

責(zé)任編輯：xj