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換解決方案。碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)等寬帶隙半導體在以下幾個方面提供優于硅的性能優勢：更高的效率和開關頻率，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，汽車電力電子設計人員需要 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。為了在給定電池容量的情況下獲得最大的充電續航里程，整個電源轉換鏈必須達到可能的最大效率。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的效率。

下一代 EV 和 AV 會議路線圖讓汽車設計人員深入了解了開發具有自動化功能的高能效、先進 EV 的構建模塊。演講者在題為“寬帶隙半導體將如何推動電動汽車向前發展？”的小組討論中談到了 SiC 和 GaN 的優勢。

演講者是英飛凌汽車事業部大功率業務線創新和新興技術團隊副總裁 Mark Münzer；Nexperia 功率 GaN 技術戰略營銷總監 Dilder Chowdhury；意法半導體寬帶隙戰略營銷經理 Filippo Di Giovanni。

以下是小組討論的亮點。

零排放

EE Times： 隨著汽車行業向“零排放”運輸邁進，制造商正在迅速推進其電氣化計劃。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行的電力電子設備。為了滿足這些要求，汽車制造商和 OEM 正在轉向 SiC 和 GaN 技術。我們在哪里可以找到 EV 中的 GaN 和 SiC？我們在哪些子系統中需要大量使用 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 為汽車行業帶來哪些變化？

馬克·明澤：市場正在蓬勃發展；我們正處于新技術進入的階段，有助于在多個層面實現車輛電氣化。看看寬帶隙，我們自然會看到該技術能夠提高子系統的效率。切入點是要求滿足材料特性的地方，GaN 和碳化硅在開關損耗和部分負載行為方面都非常出色。因此，寬禁帶材料的第一個切入點自然是 OBC，其中，具有最高開關頻率的 [WBG 材料] 開關行為絕對是一個優勢。另一方面，使用主逆變器，它實際上是用儲存的能量來擴展車輛的續航里程，因為最終，這才是真正的區別所在。

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

Filippo Di Giovanni：寬帶隙半導體的廣泛使用取決于設計師為車輛設定的目標。換句話說，如果目標是極限性能，比如跑車，或者如果我們想實現每個給定電池組的最長續航里程，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 設計。當 GaN 達到完整的汽車級能力時，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計的，那么對于有限的續航里程，傳統的 IGBT 可能是最合適的。

圖 1：EV 框圖（來源：意法半導體）

主要子系統的設計挑戰

EE時代：在電動汽車中，牽引逆變器從電池中獲取高電壓，并為驅動汽車的電動機提供電力。逆變器控制電動機并捕獲通過再生制動釋放的能量，將其返回給電池。DC/DC 轉換器提供 12V 電源系統總線，轉換來自高壓電池的電壓。逆變器的效率會在驅動電機時影響電池充電的壽命。HEV/EV 包括幾個大功率設備。主要子系統（如逆變器、OBC 和電機）的設計挑戰是什么？在 GaN 和 SiC 方面，設計人員在為此類應用選擇正確的器件以及最佳拓撲時需要考慮哪些參數？設計人員在將新的電源拓撲集成到他們的系統中時面臨哪些挑戰？

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，特別是因為沒有反向恢復充電。這為您提供了硬開關和圖騰柱 PFC 配置。有好處：首先，您可以減少組件數量，同時，您可以減少解決方案的尺寸。然后，在 DC-DC 轉換器中，我們在實驗室中看到氮化鎵器件的性能優于碳化硅，而且顯然優于硅。因此，我們可以看到 PFC 和車載充電器的圖騰柱拓撲，這種 AC-DC 級在方向性方面對 DC/DC 具有很大優勢，即使使用軟開關 LLC，它也能提高效率和更低的功率損耗。已經有一些例子了。我們也在做一個演示，它實際上展示了，

明澤：我認為我們必須看到應用程序的關鍵要求是什么，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。我們堅信——我也堅信——技術在應用程序中的共存。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[那是]四輪驅動，[就像我一樣]。我通常有一臺逆變器在 90% 以上的時間內運行，但它通常在非常低的功率損耗下運行，因此在部分負載下非常低。然后碳化硅的特性絕對優于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。

現在，如果我有第二個軸，前軸和通常的前四輪驅動大約有 10% 的時間運行，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行，因此采用 IGBT 設計更便宜。因此，最終——即使是在同一個應用程序中——根據我的要求，我可以選擇任何一種技術，甚至將它們組合在同一輛車中。

Di Giovanni：讓我說挑戰全在于效率。現在，眾所周知，可以通過降低傳導損耗和開關損耗來實現更高的效率。這意味著對于工作在 15 kHz 的逆變器中使用的碳化硅 MOSFET，導通電阻是最重要的參數，不僅在 25°C，而且在更高的溫度下，因為這也會影響冷卻系統。該系統可以減少質量和體積，讓我們不要忘記，在逆變器中，冷卻系統是一個主要的痛點。還有一個很大的優勢，因為我們可以消除笨重的驅動到機器的電纜。所以我們不要忘記，使用這樣的集成系統，增加電機相數以減少損耗要容易得多。

關于工作頻率遠高于碳化硅的 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，因為這種技術主要用于非常高頻的應用。

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

Chowdhury ：氮化鎵非常敏感。這是一個非常快速的設備。因此，您需要在封裝中具有非常低的電感。我們正在研究的實際上都是鍵合技術，因此我們沒有與汽車包裝相關的引線鍵合。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，因此您可以在封裝設備上實現非常好的熱性能。

Münzer：碳化硅帶來了封裝挑戰。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前引線鍵合容量的問題。當我們達到更高的溫度時，我們自然會得到更高的循環，因此會產生更多的熱機械應力。即使在相同的溫度下，碳化硅也會獲得更高的熱機械應力，因為碳化硅的膨脹系數更嚴重。

EE Times：典型的 OBC 架構具有一個雙向前端 AC/DC 級，后跟一個隔離式雙向 DC/DC 轉換器，為高壓電池充電。對于 OBC 的 DC/DC 級，LLC 和 LLC 衍生的雙向諧振轉換器拓撲可能是首選。從 GaN 和 SiC 來看，OBC 設計面臨哪些挑戰？

Di Giovanni ：典型的 OBC 架構由一個 PFC 級和一個隔離的 DC-DC 轉換器組成。現在，這種 DC-DC 轉換器需要雙向實現，例如，車輛到電網的運行。很多時候，LLC 拓撲用于提高??相移全橋的效率，因為前者使我們能夠實現零電壓開關。現在，用于雙向使用的 LLC 結構的問題在于，當轉換器工作在反向功率流模式時，開關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——功率級和開關頻率的增益。

因此，最廣泛使用的拓撲之一是所謂的 CLLLC，具有兩個電容和三個電感。在這種拓撲結構中，我們可以實現初級橋的零電壓開關和次級的零電流開關。這種拓撲的缺點是開關頻率需要偏離一系列諧振頻率輸出電壓調節。為了克服這個問題，在 PFC 階段調節直流母線電壓而不是頻率調制是最常見的方法。這種可行的直流鏈路方法非常有吸引力，因為它使設計人員能夠達到非常高的效率——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。當然，碳化硅非常有吸引力，因為體二極管的反向恢復時間短，即使碳化硅中的 V _F比硅本身高一點。但最終，這是一種權衡，當 GaN 用于更高頻率的相同拓撲時，所有這些缺點都會消失。

圖 2：技術比較（來源：英飛凌）

圖 3：熱仿真功率 GaN FET（來源：Nexperia）

供應鏈

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 半導體市場有何影響？供應鏈是否發生了變化？您是如何組織的，您預計半導體行業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性的時刻，我們的工程師在困難時期工作。這也同樣適用于我們供應鏈中的供應商。但令我們驚喜的是，盡管處于困難時期，我們仍能很好地管理我們的供應鏈。而且它的工作量不會減少我們的音量輸出。在許多情況下，我們提高了生產力。因此，供應鏈顯然受到了影響，但我們已經看到供應商正在適應新的現實。很明顯，有些人在工廠工作，有些人不在，他們正在適應新的工作范式轉變，并試圖從中獲得最大的收益。

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

Di Giovanni：基本上，Covid 19 大流行因各種原因擾亂了硅半導體的供應鏈——由于絕大多數人被迫在家工作，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施的限制的影響。意法半導體一直在不斷投資增加意法半導體在前端的碳化硅產能，并在新加坡開設了一家新工廠，以響應與各大洲的電動汽車制造商正在進行的許多項目。此外，我們通過與基板供應商簽訂戰略合同來確保晶圓供應。

總結

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

Münzer ： 我認為碳化硅和氮化鎵還有很長的路要走。我們的溝槽 MOSFET 剛剛進入市場，并看到了很大的潛力；我們已經在開發第二代，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中發揮重要作用。

Di Giovanni： ST 選擇了平面技術，并堅信它仍然適用于下一代技術。而今年，我們將進入第三代，這是對第二代的優化，仍然是平面技術。我們也在與 GaN 合作。我們收購了法國 Exagan 公司的多數股權，順便實現了級聯設計，同時我們正在與一家知名的領先 GaN 代工廠合作。

雖然我們認識到氮化鎵與碳化硅相比處于成熟的早期階段，但我們認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，我們正在努力改進我們的特定 RDS _(on)和其他參數，以實現 GaN 的更優化性能。

審核編輯 黃昊宇