節(jié)能減碳意識(shí)興起，這股風(fēng)潮也連帶席卷汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，電動(dòng)車(chē)需求開(kāi)始快速攀升。為有效提升電動(dòng)車(chē)整體功率并減少車(chē)體重量，采用新一代功率半導(dǎo)體可說(shuō)是勢(shì)在必行，氮化鎵便應(yīng)運(yùn)而生；透過(guò)氮化鎵IC，未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)將更快、更小、具更佳的性能，同時(shí)實(shí)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(yùn)輸轉(zhuǎn)移，節(jié)能汽車(chē)產(chǎn)業(yè)亦正面臨著挑戰(zhàn)。如今，整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)(EV)市場(chǎng)的成長(zhǎng)率已經(jīng)超過(guò)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)(ICE)汽車(chē)市場(chǎng)成長(zhǎng)率10倍。

預(yù)計(jì)到2040年時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)將擁有35%的新車(chē)銷(xiāo)量占有率，對(duì)于一個(gè)開(kāi)始大量生產(chǎn)不到10年的市場(chǎng)而言，如此的新車(chē)銷(xiāo)售量占有率是引人注目的。

隨著整個(gè)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)從基于機(jī)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(jì)規(guī)模，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的成長(zhǎng)發(fā)揮了相當(dāng)重要的作用。電動(dòng)汽車(chē)制造商和設(shè)計(jì)人員青睞于數(shù)位設(shè)計(jì)，而市調(diào)機(jī)構(gòu)Canaccord Genuity預(yù)計(jì)，到2025年時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)解決方案中每臺(tái)汽車(chē)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(chē)成本的條件下如何提高電動(dòng)汽車(chē)的功率輸出和效能。

增加功率為電動(dòng)車(chē)首要任務(wù)

電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)別通常包括純電動(dòng)車(chē)(BEV)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)，也可以包括混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)。盡管該類(lèi)汽車(chē)更依賴(lài)內(nèi)燃機(jī)而非電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，考慮到開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力汽車(chē)所需的電子元件數(shù)量，本文將混合動(dòng)力汽車(chē)界定為電動(dòng)汽車(chē)的范圍。

電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)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：向電子控制模組(ECM)轉(zhuǎn)移。

．線(xiàn)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(chē)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)需要電子零件，包括眾多半導(dǎo)體元件。有鑒于先進(jìn)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(guò)更高電壓電池(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(xiàn)線(xiàn)徑及布線(xiàn)成本；此替換過(guò)程同時(shí)也減少了銅線(xiàn)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(chē)擁有第二個(gè)250V~450V高壓(HV)電池以及配套電子設(shè)備，原因在于預(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。

突破成本效益有助電動(dòng)車(chē)普及

相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，這一點(diǎn)更為明顯。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)而言，每一點(diǎn)重量都很重要。太重會(huì)降低產(chǎn)品使用壽命和消費(fèi)者體驗(yàn)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(diǎn)所在。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(kāi)關(guān)的成本會(huì)更高，這與汽車(chē)電氣化的要求是相對(duì)的。此外，一些新的車(chē)載系統(tǒng)的性能需要超多數(shù)量的硅元件，進(jìn)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(chē)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(qiáng)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(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)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(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歇性地將大量能量傳輸回電池。與此同時(shí)，硅基氮化鎵開(kāi)關(guān)為從低kW到10kW寬范圍的供電系統(tǒng)帶來(lái)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(gè)屬性。氮化鎵提供更低的開(kāi)關(guān)損耗；更快的速度，類(lèi)似RF的開(kāi)關(guān)速度；增加的功率密度及更好的熱預(yù)算。此外對(duì)電動(dòng)汽車(chē)尤為重要的是，可降低整個(gè)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(wú)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)。總而言之，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、更佳的熱預(yù)算，進(jìn)而提高電動(dòng)汽車(chē)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(duì)比采用GaN的無(wú)橋式圖騰柱PFC

汽車(chē)電氣化須保證品質(zhì)

汽車(chē)產(chǎn)業(yè)朝向汽車(chē)電氣化的轉(zhuǎn)變，不僅改變了所用技術(shù)的類(lèi)型，而且對(duì)汽車(chē)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)公司已經(jīng)開(kāi)始針對(duì)需求開(kāi)發(fā)電氣系統(tǒng)，但是人們對(duì)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(lái)了機(jī)會(huì)。

車(chē)載電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)最簡(jiǎn)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(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(chē)行業(yè)對(duì)交換式電源(SMPS)原始設(shè)計(jì)制造商(ODM)來(lái)說(shuō)，是一項(xiàng)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(chē)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)(特別是使用氮化鎵的電氣系統(tǒng))需要花費(fèi)數(shù)十年來(lái)開(kāi)發(fā)大量專(zhuān)業(yè)技術(shù)，這種新的采購(gòu)理念是大勢(shì)所趨。

汽車(chē)業(yè)受到高度監(jiān)管，通常須要采購(gòu)可查來(lái)源元件才能達(dá)到最佳的品質(zhì)和可靠性，以此證明其性能滿(mǎn)足汽車(chē)電子委員會(huì)(AEC)產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。SMPS ODM需要置身于滿(mǎn)足這些標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)半導(dǎo)體元件和主動(dòng)元件的供應(yīng)商網(wǎng)路中。

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)的元件已經(jīng)存在，即配對(duì)的電源開(kāi)關(guān)元件和閘極驅(qū)動(dòng)器。

氮化鎵實(shí)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(huì)導(dǎo)致功耗下降，進(jìn)而為設(shè)計(jì)人員在將來(lái)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車(chē)時(shí)提供了決定性?xún)?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(chē)市場(chǎng)之外，基于氮化鎵的電子產(chǎn)品也為進(jìn)一步降低資料中心和消費(fèi)類(lèi)設(shè)備的功耗提供了良機(jī)。電動(dòng)汽車(chē)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(chē)不斷的數(shù)位化，未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)更多變化。未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)將更酷、更快、更小，為駕駛者(和自動(dòng)駕駛員)帶來(lái)驚人的性能提升，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更低的能源消耗。