隨著全球能源結(jié)構(gòu)向低碳能源和節(jié)能運輸轉(zhuǎn)移，節(jié)能汽車產(chǎn)業(yè)面臨著挑戰(zhàn)。如今，整個電動汽車(EV)市場的增長率已經(jīng)超過傳統(tǒng)內(nèi)燃機(ICE)汽車市場增長率的10倍。預計到2040年，電動汽車市場將擁有35%的新車銷量份額，對于一個開始批量生產(chǎn)不到10年的市場而言，這樣的新車銷售份額是引人注目的。
隨著整個汽車行業(yè)從基于機械系統(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)濟規(guī)模，對電動汽車的增長起到了至關(guān)重要的作用。電動汽車制造商和設(shè)計人員青睞于數(shù)字設(shè)計，而Canaccord Genuity預計，到2025年，電動汽車解決方案中每臺汽車的半導體構(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能效。
增加功率而非重量電動汽車類別通常包括電池電動汽車(BEV)和插入式混合電動汽車(PHEV)，也可以包括插電式混合電動汽車(HEV)，盡管該類汽車(HEV)更依賴內(nèi)燃機而非電動推進系統(tǒng)。考慮到開發(fā)混合電動汽車所需的電子器件數(shù)量，本文其他篇幅中將混合電動汽車界定為電動汽車的范圍。
電動汽車行業(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：向電子控制模塊(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)需要電子組件，包括眾多半導體器件。鑒于先進的電池管理技術(shù)，還將有更多的半導體器件不斷涌現(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)來替代12V電池，以適應更高的電力需求，而不增加電線線徑及布線成本。該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。(注：預計未來電池電壓將升高，這將需要更新更先進電子設(shè)備。) 突破成本效益與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，這一點更為明顯。對于電動汽車而言，每一點重量都很重要。重量過高會降低產(chǎn)品使用壽命和消費者體驗質(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)計中增加了新功能，整體系統(tǒng)成本也必須順應市場對價格的壓力。
所有這些新系統(tǒng)的推出大大增加了半導體和其他電子產(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，硅晶體管開關(guān)的成本會更高，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。
實質(zhì)上，新型電動汽車系統(tǒng)難以支持HV Si MOSFET、IGBT和超級結(jié)等現(xiàn)有半導體技術(shù)。相反，該行業(yè)正在轉(zhuǎn)向功能強大的寬帶隙(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)都在電動汽車市場中占有一席之地。
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，因為它們需要間歇地將大量能量傳輸回電池。
與此同時，硅上氮化鎵開關(guān)為從低kW到10kW寬范圍的供電系統(tǒng)帶來了益處，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。
半導體目標電壓成本應用示例GaN(中低電壓)30V–300V$ 由APM/LIDAR驅(qū)動的系統(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)動表1：突破性半導體材料的最佳應用 氮化鎵的魅力在于其固有的超越硅的幾個屬性。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;更好的熱預算;此外對電動汽車尤為重要的是，整個系統(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)拓撲：無橋圖騰柱功率因數(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對比采用GaN的無橋圖騰柱PFC 氮化鎵提供更低的開關(guān)損耗、更快的開關(guān)速度、更高的功率密度、更好的熱預算、從而提高電動汽車的功率輸出和能效，且降低了重量和成本。
采購和品質(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，而且對汽車供應商進行了重新定義。傳統(tǒng)的一級供應商從制造機械系統(tǒng)開始，而不是從電氣系統(tǒng)開始。雖然這些傳統(tǒng)的公司已經(jīng)開始針對需求開始開發(fā)電氣系統(tǒng)，但人們對更智能、更具創(chuàng)新性的電氣化的需求卻給非傳統(tǒng)供應商帶來了機會。
車載電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)最簡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)換器廣泛應用于當今的眾多市場和應用中，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)對開關(guān)式電源(SMPS)原始設(shè)計制造商(ODM)來說，幫助他們進行了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GaN的電氣系統(tǒng))需要數(shù)十年時間開發(fā)大量專業(yè)技術(shù)，這種新的采購理念是大勢所趨。
汽車行業(yè)受到高度監(jiān)管，通常需要采購的元件有最佳的質(zhì)量和可靠性，能滿足汽車電子委員會(AEC)行業(yè)標準。 SMPS ODM需要置身于滿足這些標準的先進半導體器件和主動組件的供應商網(wǎng)絡(luò)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標準的器件已經(jīng)存在，即電源開關(guān)器件和柵極驅(qū)動器對。
Transphorm提供了一款汽車級AEC-Q101認證的GaN FET—650V TPH3205WSBQAFET，采用TO-247封裝，導通電阻為49mΩ。與硅技術(shù)相比，這些晶體管具有所有主要的GaN優(yōu)勢：開關(guān)速度最大提高4倍，降低電壓和電流交叉損耗;功率密度最高增加40%;以及降低了整體系統(tǒng)規(guī)模、重量和成本(度量取決于應用)。 然而Transphorm的FET可與大多數(shù)現(xiàn)成的柵極驅(qū)動器配對，SMPS ODM和一級供應商可以使用Silicon Labs的Si827x隔離式半橋柵極驅(qū)動器來構(gòu)建系統(tǒng)。這些驅(qū)動器符合AEC-Q100標準，符合汽車半導體器件的標準質(zhì)量和文檔要求。
高壓氮化鎵電源在電源行業(yè)有些獨特：如前所述，氮化鎵器件以射頻速度開關(guān)。比現(xiàn)有的電力電子開關(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)動器對優(yōu)化Transphorm GaN FET的性能至關(guān)重要。為此，Si827x驅(qū)動器的CMTI規(guī)格最低為200 kV/μs，這是隔離驅(qū)動器的最高CMTI規(guī)格。
氮化鎵確保適應未來變化氮化鎵材料的能特性和無損耗處理高電壓操作的能力，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)品也為進一步降低數(shù)據(jù)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)字化，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，為駕駛員(和自動駕駛員)帶來驚人的性能提升，用更少的能源行使更長的里程。