氮化镓IC将改变电动汽车市场

节能减碳意识兴起，这股风潮也连带席卷汽车产业，电动车需求开始快速攀升。为有效提升电动车整体功率并减少车体重量，采用新一代功率半导体可说是势在必行，氮化镓便应运而生；透过氮化镓IC，未来的电动汽车将更快、更小、具更佳的性能，同时实现更低的能源损耗。

随着全球能源结构朝向低碳能源和节能运输转移，节能汽车产业亦正面临着挑战。如今，整个电动汽车(EV)市场的成长率已经超过传统内燃机(ICE)汽车市场成长率10倍。

预计到2040年时，电动汽车市场将拥有35%的新车销量占有率，对于一个开始大量生产不到10年的市场而言，如此的新车销售市占是引人注目的。

随着整个汽车产业从基于机械之系统朝向数位统转变，与电池、电子系统及系统元件创新相结合的经济规模，对电动汽车的成长发挥了相当重要的作用。电动汽车制造商和设计人员青睐于数位设计，而市调机构Canaccord Genuity预计，到2025年时，电动汽车解决方案中每台汽车的半导体构成部分将增加50%或更多。

本文将探讨氮化镓(GaN)电子元件以及一部分碳化硅(SiC)，在不增加汽车成本的条件下如何提高电动汽车的功率输出和效能。

电动汽车类别通常包括纯电动车(BEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)，也可以包括混合动力汽车(HEV)。尽管该类汽车更依赖内燃机而非电动推进系统，考虑到开发混合动力汽车所需的电子元件数量，本文将混合动力汽车界定为电动汽车的范围。

电动汽车产业鼓励创新电气系统的设计和开发，以取代以往的机械系统，例如：

．空调机组：向无刷直流或三相交流电机驱动压缩机转移。

．真空或气动控制：向电子控制模组(ECM)转移。

．线控驱动(DbW)系统：向高功率机电执行器转移。

．停车制动器：向电动卡钳转移。

．驱动轮系统：向端到端电气化转移。

逻辑上，这些系统需要电子零件，包括众多半导体元件。有鉴于先进的电池管理技术，还将有更多的半导体介面不断涌现。上述系统通常依靠由12V电池供电的电路中的中低压硅(Si)MOSFET(≤150V)。目前业界正透过更高电压电池(24V和/或48V)来替代12V电池，以适应更高的电力需求，而不增加电线线径及布线成本；此替换过程同时也减少了铜线的重量，提高了驱动效率。

到目前为止，驱动轮电气化还要求汽车拥有第二个250V~450V高压(HV)电池以及配套电子设备，原因在于预计未来电池电压将升高，这将需要更新更先进电子设备。

相较于传统内燃机汽车，这一点更为明显。对于电动汽车而言，每一点重量都很重要。太重会降低产品使用寿命和消费者体验品质，而且与任何产品一样，成本控制(理想情况下/降低成本)仍然是重点所在。即使设计中增加了新功能，整体系统成本也必须顺应市场对价格的压力。

所有这些新系统的推出，大幅增加了半导体和其他电子产品的数量以及所需的电池功率，理论上，这意味着更多的重量和更高的成本。一般而言，随着汇流排电压的增加，硅电晶体开关的成本会更高，这与汽车电气化的要求是相对的。此外，一些新的车载系统的性能需要超多数量的硅元件，进而增加了系统规模、重量和成本。

实质上，新型电动汽车系统难以支援HV Si MOSFETs、IGBTs和Superjunction等现有半导体技术。相反的，该产业正在转向功能强大的宽能隙(WBG)技术，包括SiC和硅基氮化镓(GaN-on-Si)，这两种突破性技术都在电动汽车市场中占有一席之地(表1)。

与Si IGBT相比，SiC提供更高的阻断电压、更高的工作温度(SiC-on-SiC)和更高的开关速度。这些功能对于牵引逆变器来说是最佳的，因为它们需要间歇性地将大量能量传输回电池。与此同时，硅基氮化镓开关为从低kW到10kW宽范围的供电系统带来益处，即交流到直流板载充电器(OBC)、直流到直流辅助功率模组(APM)、加热和冷却单元等。

氮化镓的魅力在于其拥有超越硅的几个属性。氮化镓提供更低的开关损耗；更快的速度，类似RF的开关速度；增加的功率密度及更好的热预算。此外对电动汽车尤为重要的是，可降低整个系统规模、重量和成本。

氮化镓还能够让工程师利用这些属性建构系统，像是无桥式图腾柱(Totem-pole)功率因数校正(PFC)。随着图腾柱PFC系统功率需求的增加，氮化镓的益处也随之增加(图1)。总而言之，氮化镓提供更低的开关损耗、更快的开关速度、更高的功率密度、更佳的热预算，进而提高电动汽车的功率输出和效能，且降低了重量和成本。

图1 传统升压CCM PFC对比采用GaN的无桥式图腾柱PFC

汽车产业朝向汽车电气化的转变，不仅改变了所用技术的类型，而且对汽车供应商进行了重新定义。传统的一级供应商从制造机械系统开始，而不是从电气系统开始，虽然这些传统公司已经开始针对需求开发电气系统，但是人们对更智慧、更具创新性的电气化的需求却为非传统供应商带来了机会。

车载电力转换系统最简单的形式为基本的交流到直流、直流到交流以及直流到直流转换器。这些转换器广泛应用于当今众多市场和应用中，包括电源、电信和非机载电池充电器。

将这些系统提供给汽车行业对交换式电源(SMPS)原始设计制造商(ODM)来说，是一项简单且合乎逻辑的市场拓展，这些制造商也很渴望填补汽车市场不断扩大的需求缺口。事实上，鉴于先进的电气系统(特别是使用氮化镓的电气系统)需要花费数十年来开发大量专业技术，这种新的采购理念是大势所趋。

汽车业受到高度监管，通常须要采购可查来源元件才能达到最佳的品质和可靠性，以此证明其性能满足汽车电子委员会(AEC)产业标准。SMPS ODM需要置身于满足这些标准的先进半导体元件和主动元件的供应商网路中。

对于氮化镓来说，在更关键的电子子系统之一，符合AEC标准的元件已经存在，即配对的电源开关元件和闸极驱动器。

氮化镓材料的节能特性和处理高电压操作的性能不会导致功耗下降，进而为设计人员在将来设计电动汽车时提供了决定性优势，这包括更低的开关损耗、更快的开关速度、更高的功率密度、更出色的热预算，并进一步降低重量和成本。除了电动汽车市场之外，基于氮化镓的电子产品也为进一步降低资料中心和消费类设备的功耗提供了良机。电动汽车的设计者自从市场形成以来就已经实现了前所未有的创新，随着汽车不断的数位化，未来将会出现更多变化。未来的电动汽车将更酷、更快、更小，为驾驶者(和自动驾驶员)带来惊人的性能提升，同时实现更低的能源消耗。