氮化鎵（GaN）如何應(yīng)對設(shè)計和可持續(xù)性挑戰(zhàn)

根據(jù)最近的一份報告，交通運輸每年產(chǎn)生約80億噸溫室氣體，乘用車幾乎占總排放量的一半。隨著我們向“凈零”邁進(jìn)，轉(zhuǎn)向電動汽車（EV）被視為解決方案的一大部分。然而，消費者仍對里程和途中充電的可用性感到擔(dān)憂。

為了提高采用率，電動汽車必須提供安全性和便利性，在這種情況下，這主要與提高續(xù)航效率、更好的充電基礎(chǔ)設(shè)施和更快的充電時間有關(guān)。硅器件不太可能達(dá)到所需的水平，因此工程師們正在轉(zhuǎn)向?qū)拵叮╓BG）材料，尤其是氮化鎵（GaN）。

▋氮化鎵電源和電動汽車

圖1：GaN功率半導(dǎo)體在電動汽車中的應(yīng)用

與硅相比，氮化鎵可以將充電速度提高三倍，使車載充電器（OBC）成為硅替代品的目標(biāo)。

通常，對于使用400 V和800 V電池的車輛，非車載充電器的額定功率介于3.7 kW和22 kW之間，因此需要分別額定為650V和1200V的功率半導(dǎo)體。使用集成GaN功率IC而不是硅器件，設(shè)計者可以提高充電時間，實現(xiàn)更高的功率密度，從而減小OBC的尺寸、重量和成本。

例如，Navitas與一家制造商合作，將22 kW OBC的充電速度提高了三倍，該設(shè)備的尺寸和重量與現(xiàn)有的硅基6.6 kW解決方案相同。

此外，蓄電池中存儲的能量必須傳輸?shù)蕉鄠€子系統(tǒng)，包括座椅和車窗電機(jī)、刮水器、音頻/視頻、HVAC和內(nèi)部照明。這需要DC-DC轉(zhuǎn)換器將高壓電池電壓降低到48 V或12 V。在這里，GaN將大大減少損耗、尺寸和重量。

最后，氮化鎵也有利于將能量轉(zhuǎn)化為推動車輛的牽引系統(tǒng)的效率、尺寸和重量。較低的GaN開關(guān)損耗通過減少熱耗散消除了昂貴和沉重的散熱器，而較高的開關(guān)頻率降低了EMI濾波要求。其結(jié)果是牽引系統(tǒng)更輕、效率更高、成本效益更高，從而顯著增加了車輛行駛里程。

隨著車輛轉(zhuǎn)向四個獨立的“輪內(nèi)”牽引電機(jī)，以消除單個電機(jī)作為總故障點的情況，氮化鎵在電動汽車牽引中的機(jī)會增加了。這消除了機(jī)械傳動系統(tǒng)部件，提供了四輪驅(qū)動以實現(xiàn)牽引控制和安全，并提供了“n+3”冗余，以最小的性能損失或“跛行回家”完成大多數(shù)行程。GaN的速度為輪式電機(jī)提供了高效率、輕質(zhì)和小尺寸，提高了車輛的整體性能和里程。

圖2：電動汽車中氮化鎵與硅的效益對比

除了改進(jìn)充電，Navitas電動汽車客戶預(yù)計，氮化鎵的節(jié)能效果將轉(zhuǎn)化為至少5%的續(xù)航里程。在電動汽車領(lǐng)域，每增加1%都是來之不易的，GaN將轉(zhuǎn)換為至少5%的里程擴(kuò)展。同樣的估計表明，部署氮化鎵可以為電池節(jié)省約500美元的典型成本，這是朝著正確方向邁出的一大步，有助于制造商將電動汽車的成本與傳統(tǒng)ICE汽車保持一致。

結(jié)果是，通過提供一種解決方案，使電動汽車制造商能夠應(yīng)對充電時間、節(jié)能、價格和范圍等關(guān)鍵挑戰(zhàn)，集成GaN半導(dǎo)體將有助于加速電動汽車的普及。Navitas估計，由于氮化鎵提高了效率和成本，這項技術(shù)將使電動汽車的采用速度加快三年，從而使道路部門的二氧化碳排放量進(jìn)一步減少20%。

▋GaN選擇

當(dāng)考慮將GaN器件用于電動汽車應(yīng)用時，不僅應(yīng)考慮器件性能，還應(yīng)考慮器件中可能內(nèi)置的功能（如保護(hù)）。這可以減少外部電路并簡化設(shè)計，同時減少空間和成本。

諸如GaN E-HEMT（增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管）之類的“分立式”GaN功率晶體管是單功能器件，需要其他電路組件來提供功能系統(tǒng)。由于其系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜且在大功率系統(tǒng)中性能不佳，它們無法實現(xiàn)主流應(yīng)用。此外，它們?nèi)狈ΡＷo(hù)功能，極易受到ESD（靜電放電）的影響。外部電路可以克服這些限制，但這會引入限速寄生和損耗元件，從而抵消GaN的優(yōu)點。

然而，集成GaN功率IC將多個電力電子功能結(jié)合到單個GaN芯片上，并提供單個器件所需的最關(guān)鍵功能。這優(yōu)化了效率和電源容量，降低了復(fù)雜性，降低了成本，并減少了系統(tǒng)設(shè)計的規(guī)模。

例如，Navitas最新的GaN功率IC將GaN功率FET、柵極驅(qū)動和保護(hù)功能集成在一起，以高速控制和保護(hù)GaN功率開關(guān)。

圖3：集成GaNFast功率IC

這些GaNFast 器件基于使用該公司專有AllGaN開發(fā)的GaN-on-Si 650 V橫向eMode GaN技術(shù)工藝設(shè)計工具包（PDK）。GaNFast IC本質(zhì)上是易于使用、高速、高性能的“數(shù)字輸入、電源輸出”構(gòu)建塊，需要最少的附加電路。除了簡化設(shè)計外，由于柵極驅(qū)動回路的阻抗基本為零，集成還可以實現(xiàn)幾乎零關(guān)斷損耗。同時，可以根據(jù)目標(biāo)電動汽車應(yīng)用的具體要求控制和定制開啟性能。

與大多數(shù)大功率轉(zhuǎn)換一樣，電動汽車電源結(jié)構(gòu)的設(shè)計者必須提供有效的熱管理，以確保多余的熱量不會影響性能或使用壽命?；诘壍母咝Ы鉀Q方案在一定程度上解決了這一問題，但由于這通常會導(dǎo)致功率密度增加，因此仍然存在挑戰(zhàn)。Navitas GaN功率集成電路的熱增強(qiáng)版本包含一個具有頂面和底面冷卻功能的大型冷卻墊，確保使用CS電阻器時的熱性能得到增強(qiáng)。這也允許使用簡單且經(jīng)濟(jì)高效的單層IMS（絕緣金屬基板）。

最近，Navitas宣布推出具有精確傳感功能的集成電源IC，將提高電動汽車電源應(yīng)用的效率、自主性和可靠性。將這些與集成驅(qū)動器相結(jié)合，專有的GaNSense 系統(tǒng)電流、電壓和溫度的精確和可配置傳感技術(shù)允許GaN IC檢測高風(fēng)險條件并采取行動，保護(hù)IC和系統(tǒng)免受任何故障的影響。其結(jié)果是一個堅固、受保護(hù)和可靠的設(shè)備，不需要外部組件。

▋支持氮化鎵的發(fā)展

氮化鎵技術(shù)具有高度的可持續(xù)性，同時性能和效率也得到了提高，它可以節(jié)省80%的制造和加工化學(xué)品和能源，與傳統(tǒng)硅器件相比，在封裝方面可以節(jié)省50%以上。與硅相比，氮化鎵還可以減少90%的制造和運輸二氧化碳排放量，最終應(yīng)用的二氧化碳排放量最多可減少30%。

每一個交付的氮化鎵功率集成電路凈節(jié)省4千克二氧化碳，到2050年，氮化鎵的潛力可以解決每年減少2.6億噸二氧化碳的問題。這相當(dāng)于超過650個燃煤發(fā)電站、60億桶石油、5.6億輛ICE乘用車產(chǎn)生的二氧化碳，或4.7億戶家庭的年用電量。2022年5月，Navitas成為世界上第一家被Natural Capital Partners（碳中和和氣候融資領(lǐng)域領(lǐng)先專家）評為實現(xiàn)CarbonNeutral（碳中和）的半導(dǎo)體公司。

盡管這是電動汽車的一項新技術(shù)，但數(shù)年來，GaN器件在移動電話和筆記本電腦充電器中大量出貨，可提供快速充電速度、高功率密度和小重量設(shè)計。Navitas已出貨超過5000萬個氮化鎵器件，零相關(guān)現(xiàn)場故障報告。這產(chǎn)生了一個無與倫比的數(shù)據(jù)集，提供了可靠的質(zhì)量和可靠性證明，這對于電動汽車公司有信心采用這項技術(shù)并為2kW至20kW+功率范圍內(nèi)的電動汽車創(chuàng)建高性能解決方案至關(guān)重要，這些解決方案將提供與消費者充電器應(yīng)用相同的性能、質(zhì)量和可靠性優(yōu)勢。

此外，Navitas宣布為其GaNFast技術(shù)提供突破性的20年有限保修，比典型的硅、SiC或分立GaN功率半導(dǎo)體長10倍，這是GaN在數(shù)據(jù)中心、太陽能和電動汽車市場應(yīng)用的關(guān)鍵加速器。這就是為什么像電子出行先驅(qū)Brusa這樣的公司公開表示，他們將從SiC轉(zhuǎn)為GaN，這是進(jìn)一步減少充電器尺寸和重量，同時減少二氧化碳排放量的關(guān)鍵因素。

許多人預(yù)計，具有大量氮化鎵含量的電動汽車將于2025年問世，屆時將使用針對每個電動汽車子系統(tǒng)優(yōu)化的高度集成氮化鎵功率IC。這些車輛的設(shè)計已經(jīng)在進(jìn)行中，需要工程支持才能使用最新的GaN技術(shù)。正因為如此，Navitas在上海開設(shè)了世界上第一家專門用于電動汽車的GaN IC設(shè)計中心，擁有一支經(jīng)驗豐富的電力系統(tǒng)設(shè)計師團(tuán)隊，具備電氣、熱力和機(jī)械設(shè)計、軟件開發(fā)的綜合能力，以及完整的模擬和原型制作能力。全球電動汽車客戶在整個項目中都得到支持，設(shè)計中心與OBC、DC-DC和牽引系統(tǒng)公司合作，全面開發(fā)具有最高功率密度和效率的可生產(chǎn)電動汽車功率系統(tǒng)。

注：Charles Bailley是Navitas全球業(yè)務(wù)發(fā)展高級總監(jiān)；Hao Sun是Navitas電動汽車設(shè)計中心高級總監(jiān)

審核編輯 ：李倩