GaN器件提高電動(dòng)汽車的功率輸出和能效的方法淺析

隨著全球能源結(jié)構(gòu)向低碳能源和節(jié)能運(yùn)輸轉(zhuǎn)移，節(jié)能汽車產(chǎn)業(yè)面臨著挑戰(zhàn)。如今，整個(gè)電動(dòng)汽車（EV）市場(chǎng)的增長(zhǎng)率已經(jīng)超過(guò)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車市場(chǎng)增長(zhǎng)率的10倍。預(yù)計(jì)到2040年，電動(dòng)汽車市場(chǎng)將擁有35%的新車銷量份額，對(duì)于一個(gè)開(kāi)始批量生產(chǎn)不到10年的市場(chǎng)而言，這樣的新車銷售份額是引人注目的。

隨著整個(gè)汽車行業(yè)從基于機(jī)械系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，電池、電子系統(tǒng)及系統(tǒng)組件創(chuàng)新相結(jié)合的經(jīng)濟(jì)規(guī)模，對(duì)電動(dòng)汽車的增長(zhǎng)起到了至關(guān)重要的作用。電動(dòng)汽車制造商和設(shè)計(jì)人員青睞于數(shù)字設(shè)計(jì)，而Canaccord Genuity預(yù)計(jì)，到2025年，電動(dòng)汽車解決方案中每臺(tái)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）電子器件，也涉及到一點(diǎn)碳化硅（SiC），在不增加汽車成本的條件下，如何提高電動(dòng)汽車的功率輸出和能效。

增加功率而非重量電動(dòng)汽車類別通常包括電池電動(dòng)汽車（BEV）和插入式混合電動(dòng)汽車（PHEV），也可以包括插電式混合電動(dòng)汽車（HEV），盡管該類汽車（HEV）更依賴內(nèi)燃機(jī)而非電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)?？紤]到開(kāi)發(fā)混合電動(dòng)汽車所需的電子器件數(shù)量，本文其他篇幅中將混合電動(dòng)汽車界定為電動(dòng)汽車的范圍。

電動(dòng)汽車行業(yè)鼓勵(lì)創(chuàng)新電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，以取代以往的機(jī)械系統(tǒng)，例如：· 空調(diào)機(jī)組：向無(wú)刷直流或三相交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)移· 真空或氣動(dòng)控制：向電子控制模塊（ECM）轉(zhuǎn)移· 線控驅(qū)動(dòng)（DbW）系統(tǒng)：向高功率機(jī)電執(zhí)行器轉(zhuǎn)移· 停車制動(dòng)器：向電動(dòng)卡鉗轉(zhuǎn)移· 驅(qū)動(dòng)輪系統(tǒng)：向端到端電氣化轉(zhuǎn)移 邏輯上，這些系統(tǒng)需要電子組件，包括眾多半導(dǎo)體器件。鑒于先進(jìn)的電池管理技術(shù)，還將有更多的半導(dǎo)體器件不斷涌現(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)界正在用更高電壓的電池（24V和/或48V）來(lái)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。該替換過(guò)程同時(shí)也減少了銅線的重量，提高了驅(qū)動(dòng)效率。

到目前為止，驅(qū)動(dòng)輪電氣化還要求汽車擁有第二個(gè)250V-450V高壓（HV）電池以及配套電子設(shè)備。（注：預(yù)計(jì)未來(lái)電池電壓將升高，這將需要更新更先進(jìn)電子設(shè)備。） 突破成本效益與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比，這一點(diǎn)更為明顯。對(duì)于電動(dòng)汽車而言，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(fèi)者體驗(yàn)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(shè)計(jì)中增加了新功能，整體系統(tǒng)成本也必須順應(yīng)市場(chǎng)對(duì)價(jià)格的壓力。

所有這些新系統(tǒng)的推出大大增加了半導(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，隨著總線電壓的增加，硅晶體管開(kāi)關(guān)的成本會(huì)更高，這與汽車電氣化的要求是相反的。此外，一些新的車載系統(tǒng)的性能需要超多數(shù)量的硅器件，從而增加了系統(tǒng)規(guī)模、重量和成本。

實(shí)質(zhì)上，新型電動(dòng)汽車系統(tǒng)難以支持HV Si MOSFET、IGBT和超級(jí)結(jié)等現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)。相反，該行業(yè)正在轉(zhuǎn)向功能強(qiáng)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)汽車市場(chǎng)中占有一席之地。

與SiIGBT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(duì)于牽引逆變器來(lái)說(shuō)是最佳的，因?yàn)樗鼈冃枰g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10kW寬范圍的供電系統(tǒng)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。

半導(dǎo)體目標(biāo)電壓成本應(yīng)用示例GaN（中低電壓）30V–300V$ 由APM/LIDAR驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)GaN（高電壓）650V–900V$$OBCDC-DC轉(zhuǎn)換器（APM）SiC900V–1200V+$$$ 牽引逆變器Silicon（IGBT）$ 變頻器驅(qū)動(dòng)表1：突破性半導(dǎo)體材料的最佳應(yīng)用 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，類似RF的開(kāi)關(guān)速度;增加的功率密度;更好的熱預(yù)算;此外對(duì)電動(dòng)汽車尤為重要的是，整個(gè)系統(tǒng)規(guī)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(tǒng)拓?fù)洌簾o(wú)橋圖騰柱功率因數(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：傳統(tǒng)升壓CCM PFC對(duì)比采用GaN的無(wú)橋圖騰柱PFC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(yù)算、從而提高電動(dòng)汽車的功率輸出和能效，且降低了重量和成本。

采購(gòu)和品質(zhì)保證演變汽車行業(yè)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(duì)汽車供應(yīng)商進(jìn)行了重新定義。傳統(tǒng)的一級(jí)供應(yīng)商從制造機(jī)械系統(tǒng)開(kāi)始，而不是從電氣系統(tǒng)開(kāi)始。雖然這些傳統(tǒng)的公司已經(jīng)開(kāi)始針對(duì)需求開(kāi)始開(kāi)發(fā)電氣系統(tǒng)，但人們對(duì)更智能、更具創(chuàng)新性的電氣化的需求卻給非傳統(tǒng)供應(yīng)商帶來(lái)了機(jī)會(huì)。

車載電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(zhuǎn)換器。這些轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于當(dāng)今的眾多市場(chǎng)和應(yīng)用中，包括電源、電信和非機(jī)載電池充電器。將這些系統(tǒng)提供給汽車行業(yè)對(duì)開(kāi)關(guān)式電源（SMPS）原始設(shè)計(jì)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(bǔ)汽車市場(chǎng)不斷擴(kuò)大的需求缺口。事實(shí)上，鑒于先進(jìn)的電氣系統(tǒng)（特別是使用GaN的電氣系統(tǒng)）需要數(shù)十年時(shí)間開(kāi)發(fā)大量專業(yè)技術(shù)，這種新的采購(gòu)理念是大勢(shì)所趨。

汽車行業(yè)受到高度監(jiān)管，通常需要采購(gòu)的元件有最佳的質(zhì)量和可靠性，能滿足汽車電子委員會(huì)（AEC）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 SMPS ODM需要置身于滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)半導(dǎo)體器件和主動(dòng)組件的供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)中。

對(duì)于氮化鎵來(lái)說(shuō)，在更關(guān)鍵的電子子系統(tǒng)之一，符合AEC標(biāo)準(zhǔn)的器件已經(jīng)存在，即電源開(kāi)關(guān)器件和柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)。

高壓氮化鎵電源在電源行業(yè)有些獨(dú)特：如前所述，氮化鎵器件以射頻速度開(kāi)關(guān)。比現(xiàn)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(qū)動(dòng)器對(duì)優(yōu)化GaN FET的性能至關(guān)重要。

氮化鎵確保適應(yīng)未來(lái)變化氮化鎵材料的能特性和無(wú)損耗處理高電壓操作的能力，為設(shè)計(jì)人員在將來(lái)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車時(shí)提供了決定性優(yōu)勢(shì)，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(yù)算，并進(jìn)一步降低重量和成本。除了電動(dòng)汽車市場(chǎng)之外，基于氮化鎵的電子產(chǎn)品也為進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)中心和消費(fèi)類設(shè)備的功耗提供了良機(jī)。

電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)者自從市場(chǎng)形成以來(lái)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了前所未有的創(chuàng)新，隨著汽車不斷的數(shù)字化，未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)更多變化。未來(lái)的電動(dòng)汽車將更酷、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(zhǎng)的里程。