電動汽車和混合動力電動汽車的制造商正在為多個動力總成階段尋找高效的動力轉(zhuǎn)換解決方案。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)等寬帶隙半導(dǎo)體在以下幾個方面提供優(yōu)于硅的性能優(yōu)勢：更高的效率和開關(guān)頻率，以及承受更高工作溫度和電壓的能力。

為了使電動汽車能夠更快地充電，汽車電力電子設(shè)計(jì)人員需要 GaN 和 SiC 器件以及能夠滿足電動汽車效率和功率密度要求的新動力總成架構(gòu)。為了在給定電池容量的情況下獲得最大的充電續(xù)航里程，整個電源轉(zhuǎn)換鏈必須達(dá)到可能的最大效率。電池必須具有非常高的能量存儲密度。電動汽車的自主性直接反映了其動力總成系統(tǒng)的效率。

下一代 EV 和 AV 會議路線圖讓汽車設(shè)計(jì)人員深入了解了開發(fā)具有自動化功能的高能效、先進(jìn) EV 的構(gòu)建模塊。演講者在題為“寬帶隙半導(dǎo)體將如何推動電動汽車向前發(fā)展？”的小組討論中談到了 SiC 和 GaN 的優(yōu)勢。

演講者是英飛凌汽車事業(yè)部大功率業(yè)務(wù)線創(chuàng)新和新興技術(shù)團(tuán)隊(duì)副總裁 Mark Münzer；Nexperia 功率 GaN 技術(shù)戰(zhàn)略營銷總監(jiān) Dilder Chowdhury；意法半導(dǎo)體寬帶隙戰(zhàn)略營銷經(jīng)理 Filippo Di Giovanni。

以下是小組討論的亮點(diǎn)。

零排放

EE Times： 隨著汽車行業(yè)向“零排放”運(yùn)輸邁進(jìn)，制造商正在迅速推進(jìn)其電氣化計(jì)劃。為了滿足客戶對性能的期望，這些電動汽車需要能夠在高溫下高效運(yùn)行的電力電子設(shè)備。為了滿足這些要求，汽車制造商和 OEM 正在轉(zhuǎn)向 SiC 和 GaN 技術(shù)。我們在哪里可以找到 EV 中的 GaN 和 SiC？我們在哪些子系統(tǒng)中需要大量使用 WBG 材料，哪些材料對于我們今天所知道的電動汽車類型是必不可少的？GaN/SiC 為汽車行業(yè)帶來哪些變化？

馬克·明澤：市場正在蓬勃發(fā)展；我們正處于新技術(shù)進(jìn)入的階段，有助于在多個層面實(shí)現(xiàn)車輛電氣化。看看寬帶隙，我們自然會看到該技術(shù)能夠提高子系統(tǒng)的效率。切入點(diǎn)是要求滿足材料特性的地方，GaN 和碳化硅在開關(guān)損耗和部分負(fù)載行為方面都非常出色。因此，寬禁帶材料的第一個切入點(diǎn)自然是 OBC，其中，具有最高開關(guān)頻率的 [WBG 材料] 開關(guān)行為絕對是一個優(yōu)勢。另一方面，使用主逆變器，它實(shí)際上是用儲存的能量來擴(kuò)展車輛的續(xù)航里程，因?yàn)樽罱K，這才是真正的區(qū)別所在。

Dilder Chowdhury： “寬帶隙材料，特別是碳化硅和氮化鎵，正在進(jìn)入車載充電器 DC/DC 等子系統(tǒng)，最終將用于牽引逆變器，我們正在研究高功率配置，這將產(chǎn)生最大的好處。在這里，寬帶隙[材料]具有非常好的開關(guān)性能、非常低的開關(guān)損耗和非常好的高壓性能。這是它比傳統(tǒng)的硅超級結(jié)或 IGBT 解決方案做得更好的地方。

Filippo Di Giovanni：寬帶隙半導(dǎo)體的廣泛使用取決于設(shè)計(jì)師為車輛設(shè)定的目標(biāo)。換句話說，如果目標(biāo)是極限性能，比如跑車，或者如果我們想實(shí)現(xiàn)每個給定電池組的最長續(xù)航里程，那么逆變器的硅解決方案是必須的；如果我們想更快地為電池充電，OBC 必須圍繞碳化硅和 GaN 設(shè)計(jì)。當(dāng) GaN 達(dá)到完整的汽車級能力時(shí)，它肯定會成為競爭者。因此，例如，如果電動汽車是為城市汽車而設(shè)計(jì)的，那么對于有限的續(xù)航里程，傳統(tǒng)的 IGBT 可能是最合適的。

圖 1：EV 框圖（來源：意法半導(dǎo)體）

主要子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

EE時(shí)代：在電動汽車中，牽引逆變器從電池中獲取高電壓，并為驅(qū)動汽車的電動機(jī)提供電力。逆變器控制電動機(jī)并捕獲通過再生制動釋放的能量，將其返回給電池。DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供 12V 電源系統(tǒng)總線，轉(zhuǎn)換來自高壓電池的電壓。逆變器的效率會在驅(qū)動電機(jī)時(shí)影響電池充電的壽命。HEV/EV 包括幾個大功率設(shè)備。主要子系統(tǒng)（如逆變器、OBC 和電機(jī)）的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是什么？在 GaN 和 SiC 方面，設(shè)計(jì)人員在為此類應(yīng)用選擇正確的器件以及最佳拓?fù)鋾r(shí)需要考慮哪些參數(shù)？設(shè)計(jì)人員在將新的電源拓?fù)浼傻剿麄兊南到y(tǒng)中時(shí)面臨哪些挑戰(zhàn)？

喬杜里：使用車載充電器，對于 PFC 階段，我們可以充分利用功率間隙器件，特別是因?yàn)闆]有反向恢復(fù)充電。這為您提供了硬開關(guān)和圖騰柱 PFC 配置。有好處：首先，您可以減少組件數(shù)量，同時(shí)，您可以減少解決方案的尺寸。然后，在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，我們在實(shí)驗(yàn)室中看到氮化鎵器件的性能優(yōu)于碳化硅，而且顯然優(yōu)于硅。因此，我們可以看到 PFC 和車載充電器的圖騰柱拓?fù)洌@種 AC-DC 級在方向性方面對 DC/DC 具有很大優(yōu)勢，即使使用軟開關(guān) LLC，它也能提高效率和更低的功率損耗。已經(jīng)有一些例子了。我們也在做一個演示，它實(shí)際上展示了，

明澤：我認(rèn)為我們必須看到應(yīng)用程序的關(guān)鍵要求是什么，這不是簡單地說主逆變器需要高效或車載充電器需要小那么簡單；我們必須更詳細(xì)地研究。如果我們需要 800 伏快速充電，碳化硅絕對是一種方法，或者 IGBT 可能是 1200 伏的一個很好的解決方案。我們堅(jiān)信——我也堅(jiān)信——技術(shù)在應(yīng)用程序中的共存。你可以看到碳化硅和硅在主逆變器上共存，特別是如果你有一個傳動系統(tǒng)[那是]四輪驅(qū)動，[就像我一樣]。我通常有一臺逆變器在 90% 以上的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，但它通常在非常低的功率損耗下運(yùn)行，因此在部分負(fù)載下非常低。然后碳化硅的特性絕對優(yōu)于IGBT的特性。所以很明顯，如果我選擇后軸上的主逆變器，我想要碳化硅。而且只要我能從我的電池中找到碳化硅，就很容易做出這個決定。

現(xiàn)在，如果我有第二個軸，前軸和通常的前四輪驅(qū)動大約有 10% 的時(shí)間運(yùn)行，如果有的話。在這種情況下，它通常在非常高的功率水平下運(yùn)行，因此采用 IGBT 設(shè)計(jì)更便宜。因此，最終——即使是在同一個應(yīng)用程序中——根據(jù)我的要求，我可以選擇任何一種技術(shù)，甚至將它們組合在同一輛車中。

Di Giovanni：讓我說挑戰(zhàn)全在于效率。現(xiàn)在，眾所周知，可以通過降低傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗來實(shí)現(xiàn)更高的效率。這意味著對于工作在 15 kHz 的逆變器中使用的碳化硅 MOSFET，導(dǎo)通電阻是最重要的參數(shù)，不僅在 25°C，而且在更高的溫度下，因?yàn)檫@也會影響冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以減少質(zhì)量和體積，讓我們不要忘記，在逆變器中，冷卻系統(tǒng)是一個主要的痛點(diǎn)。還有一個很大的優(yōu)勢，因?yàn)槲覀兛梢韵恐氐尿?qū)動到機(jī)器的電纜。所以我們不要忘記，使用這樣的集成系統(tǒng)，增加電機(jī)相數(shù)以減少損耗要容易得多。

關(guān)于工作頻率遠(yuǎn)高于碳化硅的 GaN HEMT，我們知道 GaN 可以輕松工作在 1 兆赫以上。注意儀表電荷和電容很重要，因?yàn)檫@種技術(shù)主要用于非常高頻的應(yīng)用。

EE Times：要真正利用新型高壓 WBG 半導(dǎo)體對電動汽車的優(yōu)勢，封裝必須滿足許多技術(shù)要求，以提高電氣和熱性能。包裝注意事項(xiàng)有哪些？

Chowdhury ：氮化鎵非常敏感。這是一個非常快速的設(shè)備。因此，您需要在封裝中具有非常低的電感。我們正在研究的實(shí)際上都是鍵合技術(shù)，因此我們沒有與汽車包裝相關(guān)的引線鍵合。這是一個非常低電感的封裝。而且它還具有頂部和底部冷卻選項(xiàng)，因此您可以在封裝設(shè)備上實(shí)現(xiàn)非常好的熱性能。

Münzer：碳化硅帶來了封裝挑戰(zhàn)。首先，對于給定的額定功率，碳化硅器件的尺寸約為等效硅的四分之一。這意味著您的接觸面積只有四分之一。因此，您的功率密度正在上升到一個水平，您可能會開始遇到當(dāng)前引線鍵合容量的問題。當(dāng)我們達(dá)到更高的溫度時(shí)，我們自然會得到更高的循環(huán)，因此會產(chǎn)生更多的熱機(jī)械應(yīng)力。即使在相同的溫度下，碳化硅也會獲得更高的熱機(jī)械應(yīng)力，因?yàn)樘蓟璧呐蛎浵禂?shù)更嚴(yán)重。

EE Times：典型的 OBC 架構(gòu)具有一個雙向前端 AC/DC 級，后跟一個隔離式雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，為高壓電池充電。對于 OBC 的 DC/DC 級，LLC 和 LLC 衍生的雙向諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)淇赡苁鞘走x。從 GaN 和 SiC 來看，OBC 設(shè)計(jì)面臨哪些挑戰(zhàn)？

Di Giovanni ：典型的 OBC 架構(gòu)由一個 PFC 級和一個隔離的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器組成。現(xiàn)在，這種 DC-DC 轉(zhuǎn)換器需要雙向?qū)崿F(xiàn)，例如，車輛到電網(wǎng)的運(yùn)行。很多時(shí)候，LLC 拓?fù)溆糜谔岣??相移全橋的效率，因?yàn)榍罢呤刮覀兡軌驅(qū)崿F(xiàn)零電壓開關(guān)。現(xiàn)在，用于雙向使用的 LLC 結(jié)構(gòu)的問題在于，當(dāng)轉(zhuǎn)換器工作在反向功率流模式時(shí)，開關(guān)頻率由變壓器繞組電容和漏感控制，這意味著幾乎沒有控制——或者根本不控制——功率級和開關(guān)頻率的增益。

因此，最廣泛使用的拓?fù)渲皇撬^的 CLLLC，具有兩個電容和三個電感。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，我們可以實(shí)現(xiàn)初級橋的零電壓開關(guān)和次級的零電流開關(guān)。這種拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是開關(guān)頻率需要偏離一系列諧振頻率輸出電壓調(diào)節(jié)。為了克服這個問題，在 PFC 階段調(diào)節(jié)直流母線電壓而不是頻率調(diào)制是最常見的方法。這種可行的直流鏈路方法非常有吸引力，因?yàn)樗乖O(shè)計(jì)人員能夠達(dá)到非常高的效率——大約 98%——并且總線電壓從 520 伏到 240 伏不等。

一般來說，氮化鎵和碳化硅都適用于 OBC。但我們不要忘記，碳化硅再次表現(xiàn)出稍大的能隙和更高的遷移率；因此，它可以在更高的頻率下切換。而且氮化鎵可以在 1MHz 甚至更高的頻率下毫無問題地工作。所以，這就是我們今天看到的。當(dāng)然，碳化硅非常有吸引力，因?yàn)轶w二極管的反向恢復(fù)時(shí)間短，即使碳化硅中的 V _F比硅本身高一點(diǎn)。但最終，這是一種權(quán)衡，當(dāng) GaN 用于更高頻率的相同拓?fù)鋾r(shí)，所有這些缺點(diǎn)都會消失。

圖 2：技術(shù)比較（來源：英飛凌）

圖 3：熱仿真功率 GaN FET（來源：Nexperia）

供應(yīng)鏈

EE Times：整個市場都受到了 Covid-19 的影響。在制造方面，特別是對電動汽車的 WBG 半導(dǎo)體市場有何影響？供應(yīng)鏈?zhǔn)欠癜l(fā)生了變化？您是如何組織的，您預(yù)計(jì)半導(dǎo)體行業(yè)的短期和長期影響是什么？

Chowdhury ：對于我們所有的工廠來說，這是一個非常具有挑戰(zhàn)性的時(shí)刻，我們的工程師在困難時(shí)期工作。這也同樣適用于我們供應(yīng)鏈中的供應(yīng)商。但令我們驚喜的是，盡管處于困難時(shí)期，我們?nèi)阅芎芎玫毓芾砦覀兊墓?yīng)鏈。而且它的工作量不會減少我們的音量輸出。在許多情況下，我們提高了生產(chǎn)力。因此，供應(yīng)鏈顯然受到了影響，但我們已經(jīng)看到供應(yīng)商正在適應(yīng)新的現(xiàn)實(shí)。很明顯，有些人在工廠工作，有些人不在，他們正在適應(yīng)新的工作范式轉(zhuǎn)變，并試圖從中獲得最大的收益。

Münzer ：我想說，我們的碳化硅計(jì)劃根本沒有受到 Covid-19 的影響。一切都按計(jì)劃進(jìn)行，以我們在 Covid 之前預(yù)期的速度進(jìn)行。改變這一特定領(lǐng)域進(jìn)程的是汽車行業(yè)的雄心壯志，即加快計(jì)劃，將更多車輛推向市場，這是一個很好的挑戰(zhàn)。

Di Giovanni：基本上，Covid 19 大流行因各種原因擾亂了硅半導(dǎo)體的供應(yīng)鏈——由于絕大多數(shù)人被迫在家工作，對個人電腦和平板電腦的需求猛增。電動汽車的需求完全沒有受到全球不同政府實(shí)施的限制的影響。意法半導(dǎo)體一直在不斷投資增加意法半導(dǎo)體在前端的碳化硅產(chǎn)能，并在新加坡開設(shè)了一家新工廠，以響應(yīng)與各大洲的電動汽車制造商正在進(jìn)行的許多項(xiàng)目。此外，我們通過與基板供應(yīng)商簽訂戰(zhàn)略合同來確保晶圓供應(yīng)。

總結(jié)

最后，您能否概述一下貴公司如何通過 GaN 和 SiC 進(jìn)軍電動汽車市場？您目前在哪里看到可以推動電動汽車未來的有趣應(yīng)用？特別是，您認(rèn)為在不久的將來會在哪些方面發(fā)生重大變化，以支持您的客戶通過使用 WBG 半導(dǎo)體以更小電池優(yōu)化性能和更長距離的技術(shù)要求？

Münzer ： 我認(rèn)為碳化硅和氮化鎵還有很長的路要走。我們的溝槽 MOSFET 剛剛進(jìn)入市場，并看到了很大的潛力；我們已經(jīng)在開發(fā)第二代，而眾所周知，溝槽 MOSFET 是通向未來的一種方式。氮化鎵還有更多：它可能在未來的混合系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。

Di Giovanni： ST 選擇了平面技術(shù)，并堅(jiān)信它仍然適用于下一代技術(shù)。而今年，我們將進(jìn)入第三代，這是對第二代的優(yōu)化，仍然是平面技術(shù)。我們也在與 GaN 合作。我們收購了法國 Exagan 公司的多數(shù)股權(quán)，順便實(shí)現(xiàn)了級聯(lián)設(shè)計(jì)，同時(shí)我們正在與一家知名的領(lǐng)先 GaN 代工廠合作。

雖然我們認(rèn)識到氮化鎵與碳化硅相比處于成熟的早期階段，但我們認(rèn)為氮化鎵具有巨大的潛力。因此，我們不僅針對低功耗市場；我們還瞄準(zhǔn)高功率。我相信，從我們的世界觀來看，從低功率（例如，從低功率到 130 千瓦）汽車市場，GaN 都可以很好地參與其中。顯然，我們正在將我們的第三代 [推向市場]，對于我們的第四代和第五代，我們正在努力改進(jìn)我們的特定 RDS _(on)和其他參數(shù)，以實(shí)現(xiàn) GaN 的更優(yōu)化性能。

審核編輯 黃昊宇