目前，電動汽車電池行業(yè)五分之二的頂級公司在中國，國內(nèi)各種電動汽車保有量已超過400萬臺;更有預(yù)測說：到2030年，中國將占全球電動汽車（EV）電池價值鏈的三分之二。這說明什么？電動汽車已經(jīng)成為一種趨勢，但是，其續(xù)航里程仍是消費(fèi)者最關(guān)心的問題之一，也是主機(jī)廠改善消費(fèi)體驗，從而打動用戶的重要賣點，特別是充電時間。

另外，由于先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）和信息娛樂和功能控制系統(tǒng)等新功能的不斷增加，使車輛整體能耗越來越大。因此，必須利用更先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)提升能量密度、充電效率和可靠性，同時減小體積和重量，讓電動汽車跑得更遠(yuǎn)，與燃油汽車有相同的充電體驗和續(xù)航里程。這就是近來人們聽到的：汽車越智能，就越需要GaN（氮化鎵）。

“減重瘦身”勢在必行

目前，電動汽車動力電池雖然已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，但是，電池續(xù)航能力仍然是制約電動汽車持續(xù)快速發(fā)展的重大瓶頸之一，而過大的車重更是阻礙了續(xù)航里程的進(jìn)一步提升。根據(jù)國創(chuàng)中心的一項研究，對比國外同類產(chǎn)品，我國電動汽車普遍偏重。

我國電動汽車比國外同級車偏重比

致力于汽車智能化和輕量化產(chǎn)品研發(fā)和制造的保隆科技副總裁、汽車金屬管件單元總監(jiān)陳洪泉對此深有感觸。他表示，應(yīng)用輕量化零部件對電動汽車?yán)m(xù)航里程的提升有明顯效果。有研究表明，純電動汽車重量每降低10kg，續(xù)航里程可增加2．5km。

他認(rèn)為，輕量化是續(xù)航里程提升的基石，對于新能源車企而言，采用輕量化零部件對整車“減重瘦身”后，除了有效緩解車主里程焦慮，還能提升汽車的操控性能。

他說：“隨著消費(fèi)升級，消費(fèi)者對于汽車的要求已經(jīng)不再是簡單的‘能開就行’，而是對汽車提出了更高的要求。輕量化可以帶來加速和制動方面的性能提升，進(jìn)一步滿足消費(fèi)者的購車新需求，更有望獲得政府補(bǔ)貼。還有一點不容忽視，由于電池重量在車中占比較大，輕量化還有助于車企設(shè)計車輛時將更多重量分配給電池，從而進(jìn)一步提升續(xù)航里程?！?/p>

當(dāng)然，整車的減重瘦身不可能一蹴而就，必須從最基本的零部件做起，尤其是電子部件越來越多的電動汽車，提高功率密度、減少元器件用量都可以為輕量化做出貢獻(xiàn)。

GaN之于汽車又有突破

在電子技術(shù)的推動下，汽車工業(yè)在許多方面正在經(jīng)歷一場復(fù)興。其首要目標(biāo)是更安全的汽車、更好的駕乘體驗、更高的能效和更低的擁有成本。

GaN是一種采用顛覆性工藝技術(shù)的第三代半導(dǎo)體，其物理性能比硅穩(wěn)定得多，帶隙寬，具有耐高溫性和較好的導(dǎo)熱性。它是有助于從內(nèi)燃機(jī)向電動汽車和智能汽車轉(zhuǎn)變的不可多得的選擇。通常采用的技術(shù)是成熟的硅基GaN（GaN-on-Si），它可以使系統(tǒng)變得更小、更輕、更高效、總體系統(tǒng)成本更低。

最近，GaN已突破了600V耐壓的臨界點，走向了車規(guī)功率應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，GaN已經(jīng)提前進(jìn)入了汽車應(yīng)用市場。

GaN已經(jīng)提前進(jìn)入汽車應(yīng)用市場

電動汽車要想實用，就必須縮小組件的尺寸，把重量減到最小，因為每一公斤重量都會減少有效載荷，縮短續(xù)航里程。

那么，GaN是如何增加能量密度和系統(tǒng)效率，提高電動汽車?yán)m(xù)航能力呢？將相同尺寸組件的功率輸出加倍可大量節(jié)約成本，還有助于快速充電。這可以通過在高頻率下控制車載充電器（OBC）或快速DC充電器中的PFC（功率因數(shù)校正）級和DC-DC功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)來實現(xiàn)。這樣做還減小了磁性元件尺寸，有助于實現(xiàn)高功率密度。對于給定應(yīng)用，更高的系統(tǒng)效率可帶來更低損耗和使用更小的散熱器方案，還可降低器件上的熱應(yīng)力，有助于延長使用壽命。在越來越擁擠的汽車中，面積、體積和重量都意味著成本！當(dāng)然，還必須提高可靠性，防止自燃事故的發(fā)生。

欲復(fù)制功率MOSFET的成功

現(xiàn)在功率MOSFET已在汽車中廣泛應(yīng)用，其導(dǎo)入汽車之初與今天的GaN如出一轍。EPC公司CEO兼共同創(chuàng)始人Alex Lidow博士回憶道：“44年前，當(dāng)我第一次開發(fā)功率器件時，還是使用硅功率雙極晶體管?！?978年，他的國際整流器公司（IR，2015年被英飛凌收購）推出了功率MOSFET，作為一種更快開關(guān)速度的替代品，它取代了較慢和老化的雙極器件。功率MOSFET的早期采用者是臺式計算機(jī)開關(guān)電源，先是蘋果，然后是IBM。

他說，直到20世紀(jì)80年代中期，功率MOSFET的量產(chǎn)才使功率MOSFET的成本與雙極晶體管相當(dāng)。那時，IR發(fā)起了替代雙極晶體管的進(jìn)攻，目標(biāo)是占據(jù)雙極晶體管市場最大份額的摩托羅拉。摩托羅拉回應(yīng)：MOSFET存在可靠性、高價格和不可靠的供應(yīng)鏈等問題。這和今天的第三代半導(dǎo)體GaN相仿。

盡管如此，功率MOSFET仍然在雙極晶體管占主導(dǎo)地位的應(yīng)用中獲得了認(rèn)可。摩托羅拉認(rèn)識到這項新技術(shù)的優(yōu)勢，也推出了功率MOSFET，并承諾：兩項技術(shù)“我們都做，所以從我們這里購買最好”。問題是，它沒有做出最好的功率MOSFET，最終輸?shù)袅税雽?dǎo)體材料之爭。

此時此刻，GaN正在挑戰(zhàn)功率MOSFET的霸主地位。GaN晶體管開關(guān)比MOSFET快10倍，比IGBT快100倍。GaN正在復(fù)制功率MOSFET的成功歷史！

電氣化改變汽車，GaN改變設(shè)計

市場研究機(jī)構(gòu)Strategy Analytics的動力總成、車身、底盤和安全服務(wù)總監(jiān)Asif Anwar表示：“GaN等寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)無疑為汽車電力電子設(shè)備（尤其是高壓系統(tǒng)）帶來了更穩(wěn)定的性能。而硅基氮化鎵器件的生產(chǎn)、封裝與優(yōu)化的硅基驅(qū)動器技術(shù)結(jié)合，將使之更快導(dǎo)入汽車應(yīng)用。”

電氣化正在改變汽車行業(yè)，而GaN正在改變工程師設(shè)計汽車的方式。他們需要在不影響汽車性能的同時，設(shè)計出更緊湊、輕便的汽車系統(tǒng)。與現(xiàn)有的硅或同屬第三代半導(dǎo)體碳化硅（SiC）解決方案相比，使用新型車用GaN FET（氮化鎵場效應(yīng)管）可將車載OBC和DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸減少多達(dá)50%，使工程師能夠延長電池續(xù)航時間，提高系統(tǒng)可靠性，并降低設(shè)計成本。

在汽車設(shè)計中，這些新器件還可在更低功耗和占用更小電路板空間的情況下，實現(xiàn)更高的效率和功率密度。

GaN的特性決定了其最佳的性能、效率和可靠性，比一流的SJ MOSFET還要出色;它本身就少一個體二極管，開關(guān)速度比硅解決方案更快更高效。無論是提高系統(tǒng)功率密度，還是開關(guān)頻率，GaN都可以縮小設(shè)計尺寸，降低設(shè)計重量和成本。

GaN與SJ MOSFET（SuperJunction，超級結(jié)）、硅的綜合性能比較

此外，它還可以通過降低開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗，同時消除逆向恢復(fù)損耗來提高能效?？傊こ處熆梢垣@得三個方面優(yōu)勢：易于設(shè)計、高效和高可靠性的解決方案。

如何做到呢？

德州儀器（TI）高壓電源解決方案副總裁Steve Lambouses表示：“汽車應(yīng)用越來越需要在更小的空間內(nèi)提供更多的電力，設(shè)計人員必須提供能在汽車長久生命周期內(nèi)可靠運(yùn)行的電源管理系統(tǒng)。憑借超過4000萬小時的器件可靠性測試和超過5GWh的功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用測試，我們的GaN技術(shù)已能夠為工程師提供滿足市場需求的可靠的全生命周期保障?！?/p>

來看看這顆可以幫助工程師實現(xiàn)OBC兩倍功率密度和更高效率的器件LMG3525R030-Q1。

功率密度、效率和體積都要兼顧

與現(xiàn)有解決方案相比，這款帶集成驅(qū)動器、內(nèi)部保護(hù)和有源電源管理的車用GaN FET采用快速開關(guān)的2．2 MHz集成柵極驅(qū)動器，可幫助工程師提供兩倍的功率密度和高達(dá)99%的效率，并將電源磁性器件的尺寸減小59%。與碳化硅（SiC）等同類襯底材料相比，利用GaN材料和在硅基氮化鎵襯底上的加工工藝開發(fā)的新型FET更具成本和供應(yīng)鏈優(yōu)勢。

歸納起來，新的解決方案優(yōu)勢有三：

1．以更少器件實現(xiàn)翻倍功率密度

在電動汽車等高電壓、高密度應(yīng)用中，電路板空間最小化是設(shè)計中的重要目標(biāo)。隨著電子系統(tǒng)變得越來越小，其內(nèi)部組件也必須不斷縮小并更加緊湊。新型GaN FET集成了快速開關(guān)驅(qū)動器以及內(nèi)部保護(hù)和溫度感應(yīng)功能，使工程師能夠在電源管理設(shè)計中減小電路板尺寸、降低功耗的同時實現(xiàn)高性能。這種集成再加上TI GaN技術(shù)的高功率密度，使工程師能夠?qū)⒎至⒔鉀Q方案的組件減少10多個。此外，在半橋配置中應(yīng)用時，每個新型30mΩ FET均可支持高達(dá)4 kW的功率轉(zhuǎn)換。

2．降低固件復(fù)雜性，縮短開發(fā)時間

過去，要獲得快速開關(guān)性能，就會有更高的功率損耗。為了避免這種不利后果，新型GaN FET采用了智能死區(qū)自適應(yīng)功能，以減少功率損耗。例如，在PFC中，與分立式GaN和SiC MOSFET相比，該功能可將第三象限損耗降低多達(dá)66%，同時無需控制自適應(yīng)死區(qū)時間，從而降低了固件復(fù)雜性和開發(fā)時間。

3．更大限度提高熱性能

采用TI GaN FET的封裝產(chǎn)品，其熱阻抗比性能最接近的同類產(chǎn)品低23%，因此，工程師可以使用更小的散熱器，同時簡化散熱設(shè)計。無論應(yīng)用場景如何，這些新器件均可提供更大的散熱設(shè)計靈活性，并可選擇底部或頂部冷卻封裝。

此外，F(xiàn)ET集成的數(shù)字溫度報告功能還可實現(xiàn)有源電源管理，使工程師能在多變的負(fù)載和工作條件下優(yōu)化系統(tǒng)的熱性能。

德州儀器高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部氮化鎵功率器件產(chǎn)品線經(jīng)理Steve Tom在展示產(chǎn)品時說，由兩個LMG3525 30mΩ GaN FET組成的LMG3525R030-Q1 650V車用GaN FET評估板，使用半橋配置了所有必需的偏置電路和邏輯/功率電平轉(zhuǎn)換功能，通過插座可輕松與外部功率級連接。采用散熱板時，轉(zhuǎn)換功率高達(dá)5000W，如果使用液體冷卻，轉(zhuǎn)換功率可提升至6000-7000W。

650V車用GaN FET評估板

他最后總結(jié)說：“TI GAN通過集成FET、高速柵極驅(qū)動器及保護(hù)功能簡化了設(shè)計，節(jié)省組件數(shù)量和布板時間。不僅簡化了布局，還極大地降低了電感尺寸，并改進(jìn)了GAN開關(guān)，最低限度減少了振鈴，提高了效率。還能確保設(shè)計具有出色的可靠性，延長器件壽命。通過內(nèi)置的高速、過流和過溫功能，可以保護(hù)系統(tǒng)中的GAN器件，防止發(fā)生擊穿。”

高功率GaN還是藍(lán)海市場

目前，很多廠商在推廣SiC技術(shù)，也有一些廠商卻與GaN結(jié)下了不解之緣，他們在努力讓已在主流消費(fèi)市場（手機(jī)快充）應(yīng)用的功率GaN超越SiC，圍繞汽車等高功率應(yīng)用的爭奪已悄然展開。

不過，GaN是一個全新的技術(shù)，其應(yīng)用還是藍(lán)海市場，市場需要這樣的先驅(qū)者。

責(zé)任編輯：xj