射频功率半导体在电动汽车革命中的主要作用

5G推出的数量不断增加以及消费电子设备的销售攀升将主要为RF功率半导体需求的增长创造良好的环境，汽车行业也仍然是RF功率模块的主要消费领域。

当前，汽车行业正经历着动态的电气和数字革命。越来越多的车辆需要电气化，自治和随时可联网。归根结底，能源效率的重要性日益提高，并将通过多种方式加速汽车行业的转型。但是，对于实现这种转变而言，至关重要的一个方面是RF功率半导体，因为它在实现 EV 和混合动力EV（ HEV ）。

参与行业的“零排放”转变，全球领先的汽车制造商一直在加大其汽车电气化项目的投入。以研究为导向的预测表明，大多数 OEM 都在着眼于2025年要实现的 EV和HEV 的目标。这种情况清楚地提示了实现可以在高温下有效运行的高效RF功率半导体。因此，射频功率模块的制造商一直将他们的策略集中在基于SiC（碳化硅），GaN（氮化镓）和WBG（宽带隙）技术的产品开发上。

新兴的GaN成为射频功率半导体的材料选择

尽管WBG半导体领域进行了大量研发工作，但SiC变体仍是传统选择电动汽车和混合动力汽车的最新发展。但是，另一方面，SiC已经进入市场的成熟阶段，并且正受到其他竞争技术的挑战，尤其是在电力电子以及电动和混合动力汽车的其他要求苛刻的应用中。/p》虽然EV和HEV通常使用基于SiC的RF功率半导体来调节动力总成中的DC/DC转换器，但过渡时间往往会将其开关频率限制在10 kHz至100 kHz之间。当前，全球几乎每家汽车制造商都在围绕RF功率半导体的GaN设计进行创新。

GaN半导体的推出有望实现这一目标。通过使切换时间在纳秒范围内以及在高达200°C的温度下工作，可以潜在地克服这一长期挑战。 GaN半导体更快的功能性导致高开关频率，从而降低开关损耗。此外，较低功率的电子体积可减轻整体重量，从而支持轻量化和更高的效率经济。

多项研究主张GaN基半导体在高功率转换方面的潜在潜力高速。迈向功率电子学的新时代，这将最能满足电动汽车和混合动力汽车的目标，GaN半导体材料的关键特性，例如优越的开关速度，较高的工作温度，较小的开关和电导率损耗，紧凑的封装以及潜在的成本

潜在的挑战，限制了RF功率半导体在电动汽车和混合动力汽车中的应用

尽管所有创新和积极成果都进入了市场，但由于电动汽车中射频功率半导体功能的障碍，仍然存在一些挑战。毕竟，在十亿分之一秒内驱动一个高功率组件是一项繁琐的工作，并带来许多尚未解决的困难。最突出的挑战之一是提高额定电压。在不改变传统设计的情况下提高高温下的有效可操作性是继续吸引RF半导体领域研发兴趣的另一个重要挑战。

这一事实一再强调了功率电子模块的应用电动汽车和混合动力汽车的要求很高，其性能不仅依赖于基于电压和性能的创新。不断推动结构和设计技术的改进，确保了混合动力和纯电动汽车中RF设备的耐用性，可靠性和热阻。

包装挑战引起关注

尽管周围电子零件的变形是挑战EV设计中RF半导体器件适用性的另一个因素，但EMC（环氧模塑料）半导体封装已成为该领域利润丰厚的领域

此外，尽管包覆成型的RF电源模块已被视为主流。在不久的将来，这些设计在热管理方面仍有改进的余地。因此，RF半导体领域的领先企业都在强调与包装相关的工作，以提高电动汽车使用的可靠性。

WBG的美好未来–是否存在

在SiC成熟和GaN具有公认优势的背景下，市场未能解决与WBG相关的可靠性问题，这最终限制了WBG型FR半导体在中国的市场渗透率。从长远来看。实现更强大的WBG型半导体工程的唯一途径是对恶劣工作条件下其失效机理的深入了解。专家还认为，WBG可能会在没有任何具体战略支持的情况下实现市场成熟，而这些战略支持将重新建立其可靠性以进一步利用。

该行业的庞然大物正在做什么 ？

Wolfspeed 是一家总部位于美国的Cree Inc.公司，专门生产优质SiC和GaN RF功率产品，最近推出了新的该产品可将电动汽车传动系统的逆变器损耗降低75％以上。有了这种提高的效率，工程师很可能会发现新的参数，以在电池使用，范围，设计，热管理和封装方面进行创新。

电动和混合动力电动汽车中的逆变器会产生大量热量，因此需要通过有效的冷却机制来解决此问题。研究一次又一次地建议减小逆变器的尺寸和重量是改善电动汽车和混合动力汽车中汽车部件冷却的关键。

业界的大多数领导者（例如 Hitachi，Ltd。）仍然借助采用液体或空气直接冷却变频器的双重冷却技术，专注于逆变器的质量和尺寸。所需的高压RF电源模块。这种机制还可以增加总体设计的紧凑性和灵活性，从而减少发电量。

期待紧凑型设计的重要性为了提高RF功率半导体在电动汽车中的适用性，三菱的超紧凑SiC逆变器之类的产品成为开拓者。 三菱电机公司特别开发了这种用于混合动力电动汽车的超紧凑型射频功率产品，并声称它是世界上同类产品中最小的SiC器件。该设备减小的包装体积消耗了车辆内部显着更少的空间，因此支撑了更高的燃料和能源效率。该设备的商业化有望在未来几年内实现。在新能源和工业技术开发组织（日本NEDO）的部分支持下，该公司还将很快开始大规模生产超紧凑型SiC逆变器。

最后一年来，业界首个革命性的现场可编程控制单元（FPCU）作为一种新颖的半导体架构问世，该架构可能有助于扩大电动和混合动力汽车的行驶里程和性能。这款射频半导体器件是由位于法国的 Silicon Mobility 设计的，目的是使现有的EV和HEV技术发挥最大的潜力。 Silicon Mobility在FPCU开发中的制造合作伙伴是美国的半导体制造商GlobalFoundries。

RF功率半导体在亚太地区的需求激增 》

随着世界迅速转向低碳能源以实现高能效运输，在建筑中将高能效车辆的碳足迹最小化的压力。即使大约十年前才开始大规模生产，电动汽车的市场也已经超过了使用ICE（内燃机）运行的传统汽车的市场。据报道，前者的增长速度几乎是后者的10倍，到2040年底，电动汽车将占到新车销售总量的1/3以上。

中国汽车工业协会的最新数据表明，仅在中国，2016年就销售了超过100万辆电动汽车，主要包括商用车和公共汽车。从长远来看，尽管中国仍将是最大的电动汽车市场，但在整个亚太地区，电动汽车的生产率一直处于较高水平。

消费电子行业蓬勃发展，该地区最近见证了电动汽车市场的显着增长，从而为射频功率半导体（尤其是基于GaN的射频功率半导体）的渗透创造了强大的机会。

截止到2018年底，射频功率半导体市场的全球估值约为120亿美元。随着5G技术的兴起，无线网络基础设施和IIoT（工业物联网）技术的广泛采用，消费电子领域的繁荣前景以及电动汽车（EV）的销售增长带来的突破性机遇，RF功率半导体市场收入到2027年可能会以惊人的12％的复合年增长率增长。

责任编辑：wv