電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的制造商正在為多個(gè)動(dòng)力總成階段尋找高效的動(dòng)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(gè)方面提供優(yōu)于硅的性能優(yōu)勢(shì)：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(dòng)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(dòng)汽車效率和功率密度要求的新動(dòng)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(gè)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(chǔ)密度。電動(dòng)汽車的自主性直接反映了其動(dòng)力總成系統(tǒng)的效率。

下一代 EV 和 AV 會(huì)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(dòng)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(dòng)電動(dòng)汽車向前發(fā)展？”的小組討論中談到了 SiC 和 GaN 的優(yōu)勢(shì)。

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(duì)性能的期望，這些電動(dòng)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?cè)谀睦锟梢哉业?EV 中的 GaN 和 SiC？我們?cè)谀男┳酉到y(tǒng)中需要大量使用 WBG 材料，哪些材料對(duì)于我們今天所知道的電動(dòng)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(chǎng)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(gè)層面實(shí)現(xiàn)車輛電氣化。看看寬帶隙，我們自然會(huì)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(gè)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(duì)是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。另一方面，使用主逆變器，它實(shí)際上是用儲(chǔ)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(jí)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(gè)給定電池組的最長(zhǎng)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(jí)能力時(shí)，它肯定會(huì)成為競(jìng)爭(zhēng)者。因此，例如，如果電動(dòng)汽車是為城市汽車而設(shè)計(jì)的，那么對(duì)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(dòng)汽車中，牽引逆變器從電池中獲取高電壓，并為驅(qū)動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)提供電力。逆變器控制電動(dòng)機(jī)并捕獲通過再生制動(dòng)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(huì)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)影響電池充電的壽命。HEV/EV 包括幾個(gè)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(duì)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?cè)趯?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)?，這種 AC-DC 級(jí)在方向性方面對(duì) DC/DC 具有很大優(yōu)勢(shì)，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(gè)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(jiǎn)單地說主逆變器需要高效或車載充電器需要小那么簡(jiǎn)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(duì)是一種方法，或者 IGBT 可能是 1200 伏的一個(gè)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(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)[那是]四輪驅(qū)動(dòng)，[就像我一樣]。我通常有一臺(tái)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(duì)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(gè)決定。

現(xiàn)在，如果我有第二個(gè)軸，前軸和通常的前四輪驅(qū)動(dòng)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(gè)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(duì)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(huì)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(gè)主要的痛點(diǎn)。還有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槲覀兛梢韵恐氐尿?qū)動(dòng)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(duì)電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)，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(gè)非?？焖俚脑O(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(gè)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(duì)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(gè)水平，您可能會(huì)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(huì)得到更高的循環(huán)，因此會(huì)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(huì)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(gè)雙向前端 AC/DC 級(jí)，后跟一個(gè)隔離式雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，為高壓電池充電。對(duì)于 OBC 的 DC/DC 級(jí)，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(gè) PFC 級(jí)和一個(gè)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(jí)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(gè)電容和三個(gè)電感。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，我們可以實(shí)現(xiàn)初級(jí)橋的零電壓開關(guān)和次級(jí)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(gè)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(huì)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(gè)市場(chǎng)都受到了 Covid-19 的影響。在制造方面，特別是對(duì)電動(dòng)汽車的 WBG 半導(dǎo)體市場(chǎng)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(zhǎng)期影響是什么？

Chowdhury ：對(duì)于我們所有的工廠來說，這是一個(gè)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(huì)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?cè)?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(chǎng)，這是一個(gè)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(duì)個(gè)人電腦和平板電腦的需求猛增。電動(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車市場(chǎng)？您目前在哪里看到可以推動(dòng)電動(dòng)汽車未來的有趣應(yīng)用？特別是，您認(rèn)為在不久的將來會(huì)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(zhǎng)距離的技術(shù)要求？

Münzer ： 我認(rèn)為碳化硅和氮化鎵還有很長(zhǎng)的路要走。我們的溝槽 MOSFET 剛剛進(jìn)入市場(chǎng)，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(duì)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(jí)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(shí)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(duì)低功耗市場(chǎng)；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(chǎng)，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(chǎng)]，對(duì)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