氮化鎵IC如何影響電動汽車市場？

節(jié)能減碳意識興起，這股風(fēng)潮也連帶席卷汽車產(chǎn)業(yè)，電動車需求開始快速攀升。為有效提升電動車整體功率并減少車體重量，采用新一代功率半導(dǎo)體可說是勢在必行，氮化鎵便應(yīng)運而生；透過氮化鎵IC，未來的電動汽車將更快、更小、具更佳的性能，同時實現(xiàn)更低的能源損耗。

隨著全球能源結(jié)構(gòu)朝向低碳能源和節(jié)能運輸轉(zhuǎn)移，節(jié)能汽車產(chǎn)業(yè)亦正面臨著挑戰(zhàn)。如今，整個電動汽車(EV)市場的成長率已經(jīng)超過傳統(tǒng)內(nèi)燃機(ICE)汽車市場成長率10倍。

預(yù)計到2040年時，電動汽車市場將擁有35%的新車銷量占有率，對于一個開始大量生產(chǎn)不到10年的市場而言，如此的新車銷售量占有率是引人注目的。

隨著整個汽車產(chǎn)業(yè)從基于機械之系統(tǒng)朝向數(shù)位統(tǒng)轉(zhuǎn)變，與電池、電子系統(tǒng)及系統(tǒng)元件創(chuàng)新相結(jié)合的經(jīng)濟規(guī)模，對電動汽車的成長發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用。電動汽車制造商和設(shè)計人員青睞于數(shù)位設(shè)計，而市調(diào)機構(gòu)Canaccord Genuity預(yù)計，到2025年時，電動汽車解決方案中每臺汽車的半導(dǎo)體構(gòu)成部分將增加50%或更多。

本文將探討氮化鎵(GaN)電子元件以及一部分碳化硅(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效能。

增加功率為電動車首要任務(wù)

電動汽車類別通常包括純電動車(BEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)，也可以包括混合動力汽車(HEV)。盡管該類汽車更依賴內(nèi)燃機而非電動推進系統(tǒng)，考慮到開發(fā)混合動力汽車所需的電子元件數(shù)量，本文將混合動力汽車界定為電動汽車的范圍。

電動汽車產(chǎn)業(yè)鼓勵創(chuàng)新電氣系統(tǒng)的設(shè)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(zhuǎn)移。

．真空或氣動控制：向電子控制模組(ECM)轉(zhuǎn)移。

．線控驅(qū)動(DbW)系統(tǒng)：向高功率機電執(zhí)行器轉(zhuǎn)移。

．停車制動器：向電動卡鉗轉(zhuǎn)移。

．驅(qū)動輪系統(tǒng)：向端到端電氣化轉(zhuǎn)移。

邏輯上，這些系統(tǒng)需要電子零件，包括眾多半導(dǎo)體元件。有鑒于先進的電池管理技術(shù)，還將有更多的半導(dǎo)體介面不斷涌現(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)界正透過更高電壓電池(24V和/或48V)來替代12V電池，以適應(yīng)更高的電力需求，而不增加電線線徑及布線成本；此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(shè)備，原因在于預(yù)計未來電池電壓將升高，這將需要更新更先進電子設(shè)備。

突破成本效益有助電動車普及

相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車，這一點更為明顯。對于電動汽車而言，每一點重量都很重要。太重會降低產(chǎn)品使用壽命和消費者體驗品質(zhì)，而且與任何產(chǎn)品一樣，成本控制(理想情況下/降低成本)仍然是重點所在。即使設(shè)計中增加了新功能，整體系統(tǒng)成本也必須順應(yīng)市場對價格的壓力。

所有這些新系統(tǒng)的推出，大幅增加了半導(dǎo)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，隨著匯流排電壓的增加，硅電晶體開關(guān)的成本會更高，這與汽車電氣化的要求是相對的。此外，一些新的車載系統(tǒng)的性能需要超多數(shù)量的硅元件，進而增加了系統(tǒng)規(guī)模、重量和成本。

實質(zhì)上，新型電動汽車系統(tǒng)難以支援HV Si MOSFETs、IGBTs和Superjunction等現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)。相反的，該產(chǎn)業(yè)正在轉(zhuǎn)向功能強大的寬能隙(WBG)技術(shù)，包括SiC和硅基氮化鎵(GaN-on-Si)，這兩種突破性技術(shù)都在電動汽車市場中占有一席之地(表1)。

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(guān)速度。這些功能對于牽引逆變器來說是最佳的，因為它們需要間歇性地將大量能量傳輸回電池。與此同時，硅基氮化鎵開關(guān)為從低kW到10kW寬范圍的供電系統(tǒng)帶來益處，即交流到直流板載充電器(OBC)、直流到直流輔助功率模組(APM)、加熱和冷卻單元等。

氮化鎵的魅力在于其擁有超越硅的幾個屬性。氮化鎵提供更低的開關(guān)損耗；更快的速度，類似RF的開關(guān)速度；增加的功率密度及更好的熱預(yù)算。此外對電動汽車尤為重要的是，可降低整個系統(tǒng)規(guī)模、重量和成本。

氮化鎵還能夠讓工程師利用這些屬性建構(gòu)系統(tǒng)，像是無橋式圖騰柱(Totem-pole)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)?？偠灾壧峁└偷拈_關(guān)損耗、更快的開關(guān)速度、更高的功率密度、更佳的熱預(yù)算，進而提高電動汽車的功率輸出和效能，且降低了重量和成本。

圖1 傳統(tǒng)升壓CCM PFC對比采用GaN的無橋式圖騰柱PFC

汽車電氣化須保證品質(zhì)

汽車產(chǎn)業(yè)朝向汽車電氣化的轉(zhuǎn)變，不僅改變了所用技術(shù)的類型，而且對汽車供應(yīng)商進行了重新定義。傳統(tǒng)的一級供應(yīng)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)公司已經(jīng)開始針對需求開發(fā)電氣系統(tǒng)，但是人們對更智慧、更具創(chuàng)新性的電氣化的需求卻為非傳統(tǒng)供應(yīng)商帶來了機會。

車載電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)最簡單的形式為基本的交流到直流、直流到交流以及直流到直流轉(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于當(dāng)今眾多市場和應(yīng)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)對交換式電源(SMPS)原始設(shè)計制造商(ODM)來說，是一項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)(特別是使用氮化鎵的電氣系統(tǒng))需要花費數(shù)十年來開發(fā)大量專業(yè)技術(shù)，這種新的采購理念是大勢所趨。

汽車業(yè)受到高度監(jiān)管，通常須要采購可查來源元件才能達到最佳的品質(zhì)和可靠性，以此證明其性能滿足汽車電子委員會(AEC)產(chǎn)業(yè)標準。SMPS ODM需要置身于滿足這些標準的先進半導(dǎo)體元件和主動元件的供應(yīng)商網(wǎng)路中。

對于氮化鎵來說，在更關(guān)鍵的電子子系統(tǒng)之一，符合AEC標準的元件已經(jīng)存在，即配對的電源開關(guān)元件和閘極驅(qū)動器。

氮化鎵實現(xiàn)更低能源損耗

氮化鎵材料的節(jié)能特性和處理高電壓操作的性能不會導(dǎo)致功耗下降，進而為設(shè)計人員在將來設(shè)計電動汽車時提供了決定性優(yōu)勢，這包括更低的開關(guān)損耗、更快的開關(guān)速度、更高的功率密度、更出色的熱預(yù)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)品也為進一步降低資料中心和消費類設(shè)備的功耗提供了良機。電動汽車的設(shè)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)位化，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，為駕駛者(和自動駕駛員)帶來驚人的性能提升，同時實現(xiàn)更低的能源消耗。