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功率轉(zhuǎn)換解決方案。寬帶隙半導(dǎo)體，如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，在幾個(gè)方面比硅具有性能優(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(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型動(dòng)力總成架構(gòu)。為了在給定電池容量的情況下獲得最大行駛里程，整個(gè)電源轉(zhuǎn)換鏈必須盡可能實(shí)現(xiàn)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。

下一代電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛路線圖會(huì)議讓汽車設(shè)計(jì)師深入了解開發(fā)具有自動(dòng)化功能的節(jié)能、先進(jìn)電動(dòng)汽車的構(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？”的小組討論中闡述了 SiC 和 GaN 的優(yōu)勢。

發(fā)言人是英飛凌汽車事業(yè)部高功率業(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；和意法半導(dǎo)體的寬帶隙戰(zhàn)略營銷經(jīng)理 Filippo Di Giovanni。

以下是小組討論的重點(diǎn)。

零排放

EE Times/電力電子新聞：隨著汽車行業(yè)邁向“零排放”運(yùn)輸，制造商正在迅速加強(qiáng)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，汽車制造商和原始設(shè)備制造商正在轉(zhuǎn)向 SiC 和 GaN 技術(shù)。我們?cè)谀睦锟梢哉业诫妱?dòng)汽車中的 GaN 和 SiC？我們需要在哪些子系統(tǒng)中大量使用 WBG 材料，對(duì)于我們今天所知的電動(dòng)汽車類型，哪些材料是我們不能沒有的？GaN/SiC 為汽車行業(yè)帶來哪些變化？

馬克·明澤：市場蓬勃發(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?？纯磳拵?，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。另一方面，對(duì)于主逆變器，它實(shí)際上是關(guān)于通過存儲(chǔ)的能量來擴(kuò)展車輛的行駛里程，因?yàn)樽罱K，這才是真正與眾不同的地方。

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)中，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)生大多數(shù)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。這就是它 與傳統(tǒng)硅超級(jí)結(jié)或 IGBT 解決方案相比做得更好的地方。

Filippo Di Giovanni：寬帶隙半導(dǎo)體的大量使用取決于設(shè)計(jì)師為車輛設(shè)定的目標(biāo)。換句話說，如果目標(biāo)是極致性能，比如跑車，或者如果我們想要每個(gè)給定的電池組實(shí)現(xiàn)最長的續(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，則必須圍繞碳化硅和 GaN 設(shè)計(jì) OBC。當(dāng) GaN 達(dá)到完整的汽車級(jí)能力時(shí)，它肯定會(huì)成為競爭者。因此，例如，如果電動(dòng)汽車是為城市汽車設(shè)計(jì)的，那么對(duì)于有限的范圍，也許傳統(tǒng)的 IGBT 是最合適的。

圖 1：EV 框圖（來源：STMicroelectronics）?

主要子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

EE Times/電力電子新聞：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，并將其返回給電池。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)影響電池在驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)充電的壽命。HEV/EV 包括多個(gè)高功率設(shè)備。逆變器、OBC 和電機(jī)等主要子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是什么？在氮化鎵和碳化硅方面，設(shè)計(jì)人員在為該類型的應(yīng)用選擇合適的設(shè)備和最佳拓?fù)鋾r(shí)需要考慮哪些參數(shù)？在將新電源拓?fù)浼傻剿麄兊南到y(tǒng)中時(shí)，設(shè)計(jì)人員面臨哪些挑戰(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設(shè)備，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。有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，您可以減少組件數(shù)量，同時(shí)，您可以減小解決方案的尺寸。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。所以，我們可以看到 PFC 和車載充電器的圖騰柱拓?fù)洌@個(gè) AC-DC 級(jí)在方向性上是 DC/DC 的一大優(yōu)勢，即使使用軟開關(guān) LLC，它也提高了效率和更低的功率損耗。并且已經(jīng)有一些例子。我們也在做一個(gè)演示，它顯示，實(shí)際上，

明澤：我想我們必須看看應(yīng)用的關(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；我們必須更仔細(xì)地研究。如果我們需要 800 伏快速充電，碳化硅肯定是一種方法，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)用中的共存。你可以看到主逆變器上的碳化硅和硅共存，特別是如果你有一個(gè)驅(qū)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)間都在運(yùn)行，但它通常以非常低的功率損耗運(yùn)行，因此在部分負(fù)載下運(yùn)行非常頻繁。然后碳化硅的特性絕對(duì)優(yōu)于IGBT的特性。所以很明顯，如果我選擇后橋上的主逆變器，我想要碳化硅。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。所以，最終——即使是在同一個(gè)應(yīng)用中——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)在于效率?，F(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)于用于逆變器的碳化硅 MOSFET 來說，假設(shè)在 15 kHz 的頻率下工作，導(dǎo)通電阻是最重要的參數(shù)，不僅在 25°C 下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)是頸部的主要問題。還有一個(gè)很大的優(yōu)勢，因?yàn)槲覀兛梢韵恐氐?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)器到機(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 可以輕松地在 1 兆赫茲以上工作。注意規(guī)范電荷和電容很重要，因?yàn)樵摷夹g(shù)主要用于非常高頻的應(yīng)用。

EE Times/電力電子新聞：要真正利用新型高壓 WBG 半導(dǎo)體對(duì)電動(dòng)汽車的好處，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？

喬杜里：氮化鎵非常敏感。這是一個(gè)非常快的設(shè)備。因此，您的包裝中需要具有非常低的電感。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封裝相關(guān)的引線鍵合。這是一個(gè)非常低電感的封裝。并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，碳化硅器件大約是等效硅器件尺寸的四分之一。這意味著您的接觸面積只有四分之一大。因此，您的功率密度會(huì)上升到可能會(huì)導(dǎo)致引線鍵合電流容量出現(xiàn)問題的水平。當(dāng)我們達(dá)到更高的溫度時(shí)，我們自然會(huì)獲得更高的循環(huán)，從而獲得更多的熱機(jī)械應(yīng)力。即使在相同的溫度下，碳化硅也會(huì)得到更高的熱機(jī)械應(yīng)力，因?yàn)樘蓟璧呐蛎浵禂?shù)更嚴(yán)重。

EE Times/電力電子新聞：典型的 OBC 架構(gòu)具有雙向前端 AC/DC 級(jí)，然后是隔離式雙向 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。著眼于 GaN 和 SiC 的 OBC 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是什么？

Di Giovanni：典型的 OBC 架構(gòu)由 PFC 級(jí)和隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器組成?，F(xiàn)在，這個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器需要是雙向的才能實(shí)現(xiàn)，例如，車輛到電網(wǎng)的運(yùn)行。與移相全橋相比，LLC 拓?fù)渫ǔＳ糜谔岣咝剩驗(yàn)榍罢呤刮覀兡軌驅(qū)崿F(xiàn)零電壓開關(guān)?，F(xiàn)在，雙向使用 LLC 結(jié)構(gòu)的問題在于，當(dāng)轉(zhuǎn)換器在反向潮流模式下運(yùn)行時(shí)，開關(guān)頻率由變壓器繞組電容和漏電感控制，這意味著幾乎沒有控制——或者根本沒有控制——功率級(jí)的增益和開關(guān)頻率。

因此，最常用的拓?fù)渲皇撬^的 CLLLC，它具有兩個(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)頻率需要偏離輸出電壓調(diào)節(jié)的一系列諧振頻率。為了克服這個(gè)問題，最常用的方法是在 PFC 級(jí)調(diào)節(jié)直流母線電壓而不是頻率調(diào)制。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)到非常高的效率水平——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，碳化硅具有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。并且氮化鎵可以在 1 MHz 甚至更高的頻率下正常工作。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)間很短，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 以更高的頻率在相同拓?fù)渲惺褂脮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：熱模擬功率 GaN FET（來源：Nexperia）

供應(yīng)鏈

EE Times/電力電子新聞：整個(gè)市場都受到 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)體市場有何影響？供應(yīng)鏈?zhǔn)欠裼腥魏巫兓磕侨绾谓M織的，您預(yù)計(jì)對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)有哪些短期和長期影響？

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，我們的工程師正在困難時(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，盡管有這個(gè)困難時(shí)期，我們?nèi)匀缓芎玫毓芾砦覀兊墓?yīng)鏈。并且它在不減少我們的音量輸出的情況下工作。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)商適應(yīng)了新的現(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，并試圖充分利用它。

Münzer：我想說我們的碳化硅項(xiàng)目完全沒有受到 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)域的過程的是汽車行業(yè)的雄心，即加快計(jì)劃的發(fā)展，將更多的汽車推向市場，這是一個(gè)很好的挑戰(zhàn)。

Di Giovanni：基本上，Covid 19 大流行由于不同原因擾亂了硅半導(dǎo)體的供應(yīng)鏈——由于絕大多數(shù)人被迫在家工作，對(duì) PC 和平板電腦的需求猛增。電動(dòng)汽車的需求根本沒有受到世界各地不同政府實(shí)施的限制的影響。意法半導(dǎo)體一直在不斷投資增加前端方面的意法半導(dǎo)體功率碳化硅產(chǎn)能，并在新加坡引入了新的晶圓廠，以響應(yīng)與基本上所有大陸的電動(dòng)汽車制造商的許多正在進(jìn)行的項(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？您目前在哪里看到可以推動(dòng)電動(dòng)汽車未來發(fā)展的有趣應(yīng)用？尤其是，您認(rèn)為在不久的將來會(huì)在哪些方面發(fā)生重大變化，以通過使用 WBG 半導(dǎo)體來支持客戶的技術(shù)要求，以優(yōu)化性能并使用更小的電池實(shí)現(xiàn)更長的續(xù)航里程？

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，在這里看到了很大的潛力；我們已經(jīng)在開發(fā)第二代了，眾所周知，溝槽MOSFET是走向未來的一種方式。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)仍然在平面技術(shù)上的第二代的優(yōu)化。我們也在使用 GaN。我們收購了法國 Exagan 公司的多數(shù)股權(quán)，該公司順便實(shí)現(xiàn)了共源共柵設(shè)計(jì)，同時(shí)我們正在與知名的領(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，但我們相信氮化鎵具有巨大的潛力。因此，我們不僅針對(duì)低功耗市場；我們也瞄準(zhǔn)了高功率。我相信在我們的世界觀中，從低功率——比如說，從低功率一直到 130 千瓦——汽車市場，GaN 可以很好地參與進(jìn)來。很明顯，我們正在將第三代產(chǎn)品推向市場，第四代和第五代產(chǎn)品我們正在努力改進(jìn)我們的特定 RDS (on)和其他參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的 GaN 性能。

審核編輯 黃昊宇

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