根據(jù)最近的一份報告，交通運輸每年產(chǎn)生約80億噸溫室氣體，乘用車幾乎占總排放量的一半。隨著我們向“凈零”邁進，轉向電動汽車（EV）被視為解決方案的一大部分。然而，消費者仍對里程和途中充電的可用性感到擔憂。

為了提高采用率，電動汽車必須提供安全性和便利性，在這種情況下，這主要與提高續(xù)航效率、更好的充電基礎設施和更快的充電時間有關。硅器件不太可能達到所需的水平，因此工程師們正在轉向寬帶隙（WBG）材料，尤其是氮化鎵（GaN）。

▋氮化鎵電源和電動汽車

圖1：GaN功率半導體在電動汽車中的應用

與硅相比，氮化鎵可以將充電速度提高三倍，使車載充電器（OBC）成為硅替代品的目標。

通常，對于使用400 V和800 V電池的車輛，非車載充電器的額定功率介于3.7 kW和22 kW之間，因此需要分別額定為650V和1200V的功率半導體。使用集成GaN功率IC而不是硅器件，設計者可以提高充電時間，實現(xiàn)更高的功率密度，從而減小OBC的尺寸、重量和成本。

例如，Navitas與一家制造商合作，將22 kW OBC的充電速度提高了三倍，該設備的尺寸和重量與現(xiàn)有的硅基6.6 kW解決方案相同。

此外，蓄電池中存儲的能量必須傳輸?shù)蕉鄠€子系統(tǒng)，包括座椅和車窗電機、刮水器、音頻/視頻、HVAC和內部照明。這需要DC-DC轉換器將高壓電池電壓降低到48 V或12 V。在這里，GaN將大大減少損耗、尺寸和重量。

最后，氮化鎵也有利于將能量轉化為推動車輛的牽引系統(tǒng)的效率、尺寸和重量。較低的GaN開關損耗通過減少熱耗散消除了昂貴和沉重的散熱器，而較高的開關頻率降低了EMI濾波要求。其結果是牽引系統(tǒng)更輕、效率更高、成本效益更高，從而顯著增加了車輛行駛里程。

隨著車輛轉向四個獨立的“輪內”牽引電機，以消除單個電機作為總故障點的情況，氮化鎵在電動汽車牽引中的機會增加了。這消除了機械傳動系統(tǒng)部件，提供了四輪驅動以實現(xiàn)牽引控制和安全，并提供了“n+3”冗余，以最小的性能損失或“跛行回家”完成大多數(shù)行程。GaN的速度為輪式電機提供了高效率、輕質和小尺寸，提高了車輛的整體性能和里程。

圖2：電動汽車中氮化鎵與硅的效益對比

除了改進充電，Navitas電動汽車客戶預計，氮化鎵的節(jié)能效果將轉化為至少5%的續(xù)航里程。在電動汽車領域，每增加1%都是來之不易的，GaN將轉換為至少5%的里程擴展。同樣的估計表明，部署氮化鎵可以為電池節(jié)省約500美元的典型成本，這是朝著正確方向邁出的一大步，有助于制造商將電動汽車的成本與傳統(tǒng)ICE汽車保持一致。

結果是，通過提供一種解決方案，使電動汽車制造商能夠應對充電時間、節(jié)能、價格和范圍等關鍵挑戰(zhàn)，集成GaN半導體將有助于加速電動汽車的普及。Navitas估計，由于氮化鎵提高了效率和成本，這項技術將使電動汽車的采用速度加快三年，從而使道路部門的二氧化碳排放量進一步減少20%。

▋GaN選擇

當考慮將GaN器件用于電動汽車應用時，不僅應考慮器件性能，還應考慮器件中可能內置的功能（如保護）。這可以減少外部電路并簡化設計，同時減少空間和成本。

諸如GaN E-HEMT（增強型高電子遷移率晶體管）之類的“分立式”GaN功率晶體管是單功能器件，需要其他電路組件來提供功能系統(tǒng)。由于其系統(tǒng)設計復雜且在大功率系統(tǒng)中性能不佳，它們無法實現(xiàn)主流應用。此外，它們缺乏保護功能，極易受到ESD（靜電放電）的影響。外部電路可以克服這些限制，但這會引入限速寄生和損耗元件，從而抵消GaN的優(yōu)點。

然而，集成GaN功率IC將多個電力電子功能結合到單個GaN芯片上，并提供單個器件所需的最關鍵功能。這優(yōu)化了效率和電源容量，降低了復雜性，降低了成本，并減少了系統(tǒng)設計的規(guī)模。

例如，Navitas最新的GaN功率IC將GaN功率FET、柵極驅動和保護功能集成在一起，以高速控制和保護GaN功率開關。

圖3：集成GaNFast功率IC

這些GaNFast 器件基于使用該公司專有AllGaN開發(fā)的GaN-on-Si 650 V橫向eMode GaN技術工藝設計工具包（PDK）。GaNFast IC本質上是易于使用、高速、高性能的“數(shù)字輸入、電源輸出”構建塊，需要最少的附加電路。除了簡化設計外，由于柵極驅動回路的阻抗基本為零，集成還可以實現(xiàn)幾乎零關斷損耗。同時，可以根據(jù)目標電動汽車應用的具體要求控制和定制開啟性能。

與大多數(shù)大功率轉換一樣，電動汽車電源結構的設計者必須提供有效的熱管理，以確保多余的熱量不會影響性能或使用壽命?；诘壍母咝Ы鉀Q方案在一定程度上解決了這一問題，但由于這通常會導致功率密度增加，因此仍然存在挑戰(zhàn)。Navitas GaN功率集成電路的熱增強版本包含一個具有頂面和底面冷卻功能的大型冷卻墊，確保使用CS電阻器時的熱性能得到增強。這也允許使用簡單且經(jīng)濟高效的單層IMS（絕緣金屬基板）。

最近，Navitas宣布推出具有精確傳感功能的集成電源IC，將提高電動汽車電源應用的效率、自主性和可靠性。將這些與集成驅動器相結合，專有的GaNSense 系統(tǒng)電流、電壓和溫度的精確和可配置傳感技術允許GaN IC檢測高風險條件并采取行動，保護IC和系統(tǒng)免受任何故障的影響。其結果是一個堅固、受保護和可靠的設備，不需要外部組件。

▋支持氮化鎵的發(fā)展

氮化鎵技術具有高度的可持續(xù)性，同時性能和效率也得到了提高，它可以節(jié)省80%的制造和加工化學品和能源，與傳統(tǒng)硅器件相比，在封裝方面可以節(jié)省50%以上。與硅相比，氮化鎵還可以減少90%的制造和運輸二氧化碳排放量，最終應用的二氧化碳排放量最多可減少30%。

每一個交付的氮化鎵功率集成電路凈節(jié)省4千克二氧化碳，到2050年，氮化鎵的潛力可以解決每年減少2.6億噸二氧化碳的問題。這相當于超過650個燃煤發(fā)電站、60億桶石油、5.6億輛ICE乘用車產(chǎn)生的二氧化碳，或4.7億戶家庭的年用電量。2022年5月，Navitas成為世界上第一家被Natural Capital Partners（碳中和和氣候融資領域領先專家）評為實現(xiàn)CarbonNeutral（碳中和）的半導體公司。

盡管這是電動汽車的一項新技術，但數(shù)年來，GaN器件在移動電話和筆記本電腦充電器中大量出貨，可提供快速充電速度、高功率密度和小重量設計。Navitas已出貨超過5000萬個氮化鎵器件，零相關現(xiàn)場故障報告。這產(chǎn)生了一個無與倫比的數(shù)據(jù)集，提供了可靠的質量和可靠性證明，這對于電動汽車公司有信心采用這項技術并為2kW至20kW+功率范圍內的電動汽車創(chuàng)建高性能解決方案至關重要，這些解決方案將提供與消費者充電器應用相同的性能、質量和可靠性優(yōu)勢。

此外，Navitas宣布為其GaNFast技術提供突破性的20年有限保修，比典型的硅、SiC或分立GaN功率半導體長10倍，這是GaN在數(shù)據(jù)中心、太陽能和電動汽車市場應用的關鍵加速器。這就是為什么像電子出行先驅Brusa這樣的公司公開表示，他們將從SiC轉為GaN，這是進一步減少充電器尺寸和重量，同時減少二氧化碳排放量的關鍵因素。

許多人預計，具有大量氮化鎵含量的電動汽車將于2025年問世，屆時將使用針對每個電動汽車子系統(tǒng)優(yōu)化的高度集成氮化鎵功率IC。這些車輛的設計已經(jīng)在進行中，需要工程支持才能使用最新的GaN技術。正因為如此，Navitas在上海開設了世界上第一家專門用于電動汽車的GaN IC設計中心，擁有一支經(jīng)驗豐富的電力系統(tǒng)設計師團隊，具備電氣、熱力和機械設計、軟件開發(fā)的綜合能力，以及完整的模擬和原型制作能力。全球電動汽車客戶在整個項目中都得到支持，設計中心與OBC、DC-DC和牽引系統(tǒng)公司合作，全面開發(fā)具有最高功率密度和效率的可生產(chǎn)電動汽車功率系統(tǒng)。

注：Charles Bailley是Navitas全球業(yè)務發(fā)展高級總監(jiān)；Hao Sun是Navitas電動汽車設計中心高級總監(jiān)

審核編輯 ：李倩