作者 John Wilson Philip Zuk Silicon Labs公司
摘要：跟着全球动力结构向低碳动力和节能运送搬运，节能轿车产业面临着应战。现在，整个电动轿车(EV)商场的添加率现已逾越传统内燃机(ICE)轿车商场添加率的10倍。估计到2040年，电动轿车商场将具有35%的新车销量比例，关于一个开端批量生产不到10年的商场而言，这样的新车出售比例是有目共睹的。
跟着整个轿车职业从根据机械体系向数字体系改变，电池、电子体系及体系组件立异相结合的经济规划，对电动轿车的添加起到了至关重要的效果。电动轿车制作商和规划人员喜爱于数字规划，而Canaccord Genuity估计，到2025年，电动轿车解决方案中每台轿车的半导体构成部分将添加50%或更多。本文将讨论氮化镓(GaN)电子器材，也涉及到一点碳化硅(SiC)，在不添加轿车本钱的条件下，怎么进步电动轿车的功率输出和能效。
1 添加功率而非分量
电动轿车类别一般包含电池电动轿车(BEV)和刺进式混合电动轿车(PHEV)， 也能够包含插电式混合电动轿车(HEV)，尽管该类轿车(HEV)更依托内燃机而非电动推动体系。考虑到开发混合电动轿车所需的电子器材数量，本文其他篇幅中将混合电动轿车界定为电动轿车的规划。
电动轿车职业鼓舞立异电气体系的规划和开发，以代替以往的机械体系，例如：
• 空调机组：向无刷直流或三相沟通电机驱动压缩机搬运;
• 真空或气动操控：向电子操控模块(ECM)搬运;
• 线控驱动(DbW)体系：向高功率机电执行器搬运;
• 泊车制动器：向电动卡钳搬运;
• 驱动轮体系：向端到端电气化搬运。
逻辑上，这些体系需求电子组件，包含很多半导体器材。鉴于先进的电池办理技能，还将有更多的半导体器材不断涌现。
上述体系一般依托由12 V电池供电的电路中的中低压硅(Si)MOSFET(≤150 V)。 现在业界正在用更高电压的电池(24 V和/或48 V)来代替12 V电池，以习惯更高的电力需求，而不添加电线线径及布线本钱。该替换进程一起也减少了铜线的分量，进步了驱动功率。
到现在为止，驱动轮电气化还要求轿车具有第二个250~450 V高压(HV)电池以及配套电子设备。(注：估计未来电池电压将升高，这将需求更新更先进电子设备。)
2 打破本钱效益
与传统内燃机轿车比较，这一点更为显着。关于电动轿车而言，每一点分量都很重要。分量过高会下降产品运用寿命和顾客体会质量。
并且与任何产品相同，本钱操控(抱负情况下，下降本钱)仍然是重中之重。即便规划中添加了新功用，全体体系本钱也有必要习惯商场对价格的压力。
一切这些新体系的推出大大添加了半导体和其他电子产品的数量以及所需的电池功率。理论上，这意味着更多的分量和更高的本钱。一般来说，跟着总线电压的添加，硅晶体管开关的本钱会更高，这与轿车电气化的要求是相反的。此外，一些新的车载体系的功用需求超多数量的硅器材，然后添加了体系规划、分量和本钱。
实质上，新式电动轿车体系难以支撑HV Si MOSFET、IGBT和超级结等现有半导体技能。相反，该职业正在转向功用强大的宽带隙(WBG)技能，包含碳化硅(SiC)和硅上氮化镓(GaN-on-Si)。
这两种打破性技能都在电动轿车商场中占有一席之地。
与Si IGBT比较，SiC供给更高的阻断电压、更高的工作温度(SiC-on-SiC)和更高的开关速度。 这些功用关于牵引逆变器来说是很重要的，由于它们需求间歇地将很多能量传输回电池。
与此一起，硅上氮化镓开关为从低kW到10 kW宽规划的供电体系带来了好处，即沟通到直流板载充电器(OBC)、直流到直流辅佐功率模块(APM)、加热和冷却单元等。
氮化镓的魅力在于其固有的逾越硅的几个特点。氮化镓供给更低的开关损耗;更快的速度，相似RF的开关速度;添加的功率密度;更好的热预算;此外，对电动轿车尤为重要的是整个体系规划、分量及下降本钱。
氮化镓还使工程师能够运用这些特点的体系拓扑：无桥图腾柱功率因数校对(PFC)。 跟着图腾柱PFC体系功率需求的添加，氮化镓的好处也随之添加。
氮化镓供给更低的开关损耗、更快的开关速度、更高的功率密度、更好的热预算，然后进步电动轿车的功率输出和能效，且下降了分量和本钱。
3 收购和质量保证演化
轿车职业向轿车电气化的改变不只改变了所用技能的类型，并且对轿车供货商进行了从头界说。传统的一级供货商从制作机械体系开端，而不是从电气体系开端。尽管这些传统的公司现已开端针对需求开端开发电气体系，但人们对更智能、更具立异性的电气化的需求却给非传统供货商带来了时机。
车载电力转化体系最简略的方式是根本的沟通到直流、直流到沟通以及直流到直流转化器。这些转化器广泛运用于当今的很多商场和运用中，包含电源、电信和非机载电池充电器。将这些体系供给给轿车职业对开关式电源(SMPS)原始规划制作商(ODM)来说，协助他们进行了简略且合乎逻辑的商场拓宽，这些制作商也很巴望添补轿车商场不断扩大的需求缺口。事实上，鉴于先进的电气体系(特别是运用GaN的电气体系)需求数十年时刻开发很多专业技能，这种新的收购理念是大势所趋。
轿车职业遭到高度监管，一般需求收购的元件有最佳的质量和可靠性，能满意轿车电子委员会(AEC)职业规范。 SMPS ODM需求置身于满意这些规范的先进半导体器材和主动组件的供货商网络中。
关于氮化镓来说，在更要害的电子子体系之一，契合AEC规范的器材现已存在，即电源开关器材和栅极驱动器对。
Transphorm供给了一款轿车级AEC-Q101认证的GaN FET — 650 V TPH3205WSBQA FET，选用TO-247封装，导通电阻为49 mΩ。与硅技能比较，这些晶体管具有一切首要的GaN优势：开关速度最大进步4倍，下降电压和电流穿插损耗;功率密度最高添加40%;以及下降了全体体系规划、分量和本钱(衡量取决于运用)。
但是Transphorm的FET可与大多数现成的栅极驱动器配对，SMPS ODM和一级供货商能够运用Silicon Labs的Si827x阻隔式半桥栅极驱动器来构建体系。这些驱动器契合AEC-Q100规范，契合轿车半导体器材的规范质量和文档要求。
高压氮化镓电源在电源职业有些共同：如前所述，氮化镓器材以射频速度开关。比现有的电力电子开关速度快得多。鉴于此，具有高共模瞬变按捺(CMTI)的高速栅极驱动器对优化Transphorm GaN FET的功用至关重要。为此，Si827x驱动器的CMTI标准最低为200 kV/μs，这是阻隔驱动器的最高CMTI标准。
4 氮化镓保证习惯未来改变
氮化镓资料的节能特性和无损耗处理高电压操作的才能，为规划人员在将来规划电动轿车时供给了决定性优势，这包含更低的开关损耗、更快的开关速度、更高的功率密度、更超卓的热预算，并进一步下降分量和本钱。除了电动轿车商场之外，根据氮化镓的电子产品也为进一步下降数据中心和消费类设备的功耗供给了良机。
电动轿车的规划者自从商场构成以来就现已完成了史无前例的立异，跟着轿车不断的数字化，未来将会呈现更多改变。未来的电动轿车将更酷、更快、更小，为驾驶员(和主动驾驶员)带来惊人的功用提高，用更少的动力行使更长的路程。
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本文来源于《电子产品世界》2018年第7期第76页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
