用于電動汽車的寬禁帶半導體

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功率轉(zhuǎn)換解決方案。寬帶隙半導體，如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，在幾個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。

為了使電動汽車能夠更快地充電，汽車電力電子設(shè)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型動力總成架構(gòu)。為了在給定電池容量的情況下獲得最大行駛里程，整個電源轉(zhuǎn)換鏈必須盡可能實現(xiàn)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(tǒng)的效率。

下一代電動汽車和自動駕駛路線圖會議讓汽車設(shè)計師深入了解開發(fā)具有自動化功能的節(jié)能、先進電動汽車的構(gòu)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(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)務線創(chuàng)新和新興技術(shù)團隊副總裁 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。

零排放

EE Times/電力電子新聞：隨著汽車行業(yè)邁向“零排放”運輸，制造商正在迅速加強其電氣化計劃。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(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)。我們在哪里可以找到電動汽車中的 GaN 和 SiC？我們需要在哪些子系統(tǒng)中大量使用 WBG 材料，對于我們今天所知的電動汽車類型，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)進入的階段，有助于在多個層面實現(xiàn)車輛電氣化?？纯磳拵?，我們自然會看到該技術(shù)能夠提高子系統(tǒng)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(guān)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(guān)頻率的 [WBG 材料] 開關(guān)行為絕對是一個優(yōu)勢。另一方面，對于主逆變器，它實際上是關(guān)于通過存儲的能量來擴展車輛的行駛里程，因為最終，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：寬帶隙半導體的大量使用取決于設(shè)計師為車輛設(shè)定的目標。換句話說，如果目標是極致性能，比如跑車，或者如果我們想要每個給定的電池組實現(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 OBC。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設(shè)計的，那么對于有限的范圍，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)計挑戰(zhàn)

EE Times/電力電子新聞：在電動汽車中，牽引逆變器從電池中獲取高電壓，并為驅(qū)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，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。逆變器的效率會影響電池在驅(qū)動電機時充電的壽命。HEV/EV 包括多個高功率設(shè)備。逆變器、OBC 和電機等主要子系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)是什么？在氮化鎵和碳化硅方面，設(shè)計人員在為該類型的應用選擇合適的設(shè)備和最佳拓撲時需要考慮哪些參數(shù)？在將新電源拓撲集成到他們的系統(tǒng)中時，設(shè)計人員面臨哪些挑戰(zhàn)？

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設(shè)備，特別是因為沒有反向恢復充電。這為您提供了硬開關(guān)和圖騰柱 PFC 配置。有以下優(yōu)點：首先，您可以減少組件數(shù)量，同時，您可以減小解決方案的尺寸。然后，在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，我們在實驗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撲，這個 AC-DC 級在方向性上是 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。我們也在做一個演示，它顯示，實際上，

明澤：我想我們必須看看應用的關(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 伏的一個很好的解決方案。我們堅信——我也堅信——技術(shù)在應用中的共存。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驅(qū)動系統(tǒng)[那是]四輪驅(qū)動，[就像我一樣]。我通常有一臺逆變器在 90% 以上的時間都在運行，但它通常以非常低的功率損耗運行，因此在部分負載下運行非常頻繁。然后碳化硅的特性絕對優(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，就很容易做出這個決定。

現(xiàn)在，如果我有第二個軸，前軸和通常的前四輪驅(qū)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(shè)計更便宜。所以，最終——即使是在同一個應用中——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。現(xiàn)在，眾所周知，可以通過降低傳導損耗和開關(guān)損耗來實現(xiàn)更高的效率。這意味著對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，因為這也會影響冷卻系統(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。還有一個很大的優(yōu)勢，因為我們可以消除笨重的驅(qū)動器到機器的電纜。所以我們不要忘記，使用這樣的集成系統(tǒng)，增加電機相數(shù)以減少損耗要容易得多。

關(guān)于工作頻率遠高于碳化硅的 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，因為該技術(shù)主要用于非常高頻的應用。

EE Times/電力電子新聞：要真正利用新型高壓 WBG 半導體對電動汽車的好處，封裝必須滿足許多技術(shù)要求，以提高電氣和熱性能。包裝注意事項有哪些？

喬杜里：氮化鎵非常敏感。這是一個非?？斓脑O(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。這是一個非常低電感的封裝。并且它還具有頂部和底部冷卻選項，因此您可以在封裝設(shè)備上實現(xiàn)非常好的熱性能。

Münzer：碳化硅帶來了封裝挑戰(zhàn)。首先，對于給定的額定功率，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，您的功率密度會上升到可能會導致引線鍵合電流容量出現(xiàn)問題的水平。當我們達到更高的溫度時，我們自然會獲得更高的循環(huán)，從而獲得更多的熱機械應力。即使在相同的溫度下，碳化硅也會得到更高的熱機械應力，因為碳化硅的膨脹系數(shù)更嚴重。

EE Times/電力電子新聞：典型的 OBC 架構(gòu)具有雙向前端 AC/DC 級，然后是隔離式雙向 DC/DC 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器拓撲可能是首選。著眼于 GaN 和 SiC 的 OBC 設(shè)計挑戰(zhàn)是什么？

Di Giovanni：典型的 OBC 架構(gòu)由 PFC 級和隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器組成?，F(xiàn)在，這個 DC-DC 轉(zhuǎn)換器需要是雙向的才能實現(xiàn)，例如，車輛到電網(wǎng)的運行。與移相全橋相比，LLC 拓撲通常用于提高效率，因為前者使我們能夠?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，當轉(zhuǎn)換器在反向潮流模式下運行時，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——功率級的增益和開關(guān)頻率。

因此，最常用的拓撲之一是所謂的 CLLLC，它具有兩個電容和三個電感。在這種拓撲結(jié)構(gòu)中，我們可以實現(xiàn)初級橋的零電壓開關(guān)和次級的零電流開關(guān)。這種拓撲的缺點是開關(guān)頻率需要偏離輸出電壓調(diào)節(jié)的一系列諧振頻率。為了克服這個問題，最常用的方法是在 PFC 級調(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，因為它使設(shè)計人員能夠達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。當然，碳化硅非常有吸引力，因為體二極管的反向恢復時間很短，即使碳化硅中的V F比硅本身高一點。但最終，這是一種權(quán)衡，當 GaN 以更高的頻率在相同拓撲中使用時，所有這些缺點都會消失。

圖 2：技術(shù)比較（來源：英飛凌）

圖 3：熱模擬功率 GaN FET（來源：Nexperia）

供應鏈

EE Times/電力電子新聞：整個市場都受到 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？供應鏈是否有任何變化？您是如何組織的，您預計對半導體行業(yè)有哪些短期和長期影響？

Chowdhury：對于我們所有的工廠來說，這是一個非常具有挑戰(zhàn)性的時刻，我們的工程師正在困難時期工作。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，盡管有這個困難時期，我們?nèi)匀缓芎玫毓芾砦覀兊墓?。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，供應鏈顯然受到了影響，但我們已經(jīng)看到供應商適應了新的現(xiàn)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(zhuǎn)變，并試圖充分利用它。

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

Di Giovanni：基本上，Covid 19 大流行由于不同原因擾亂了硅半導體的供應鏈——由于絕大多數(shù)人被迫在家工作，對 PC 和平板電腦的需求猛增。電動汽車的需求根本沒有受到世界各地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前端方面的意法半導體功率碳化硅產(chǎn)能，并在新加坡引入了新的晶圓廠，以響應與基本上所有大陸的電動汽車制造商的許多正在進行的項目。此外，我們通過與基板供應商簽訂戰(zhàn)略合同來確保晶圓供應。

總結(jié)

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發(fā)展的有趣應用？尤其是，您認為在不久的將來會在哪些方面發(fā)生重大變化，以通過使用 WBG 半導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現(xiàn)更長的續(xù)航里程？

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，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)，并堅信它仍然適用于下一代技術(shù)。而今年，我們將進入第三代，這是對仍然在平面技術(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)，該公司順便實現(xiàn)了共源共柵設(shè)計，同時我們正在與知名的領(lǐng)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，但我們相信氮化鎵具有巨大的潛力。因此，我們不僅針對低功耗市場；我們也瞄準了高功率。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我們的特定 RDS (on)和其他參數(shù)，以實現(xiàn)更優(yōu)化的 GaN 性能。

審核編輯 黃昊宇

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