氮化镓（GaN）如何应对设计和可持续性挑战

根据最近的一份报告，交通运输每年产生约80亿吨温室气体，乘用车几乎占总排放量的一半。随着我们向“净零”迈进，转向电动汽车（EV）被视为解决方案的一大部分。然而，消费者仍对里程和途中充电的可用性感到担忧。

为了提高采用率，电动汽车必须提供安全性和便利性，在这种情况下，这主要与提高续航效率、更好的充电基础设施和更快的充电时间有关。硅器件不太可能达到所需的水平，因此工程师们正在转向宽带隙（WBG）材料，尤其是氮化镓（GaN）。

▋氮化镓电源和电动汽车

图1：GaN功率半导体在电动汽车中的应用

与硅相比，氮化镓可以将充电速度提高三倍，使车载充电器（OBC）成为硅替代品的目标。

通常，对于使用400 V和800 V电池的车辆，非车载充电器的额定功率介于3.7 kW和22 kW之间，因此需要分别额定为650V和1200V的功率半导体。使用集成GaN功率IC而不是硅器件，设计者可以提高充电时间，实现更高的功率密度，从而减小OBC的尺寸、重量和成本。

例如，Navitas与一家制造商合作，将22 kW OBC的充电速度提高了三倍，该设备的尺寸和重量与现有的硅基6.6 kW解决方案相同。

此外，蓄电池中存储的能量必须传输到多个子系统，包括座椅和车窗电机、刮水器、音频/视频、HVAC和内部照明。这需要DC-DC转换器将高压电池电压降低到48 V或12 V。在这里，GaN将大大减少损耗、尺寸和重量。

最后，氮化镓也有利于将能量转化为推动车辆的牵引系统的效率、尺寸和重量。较低的GaN开关损耗通过减少热耗散消除了昂贵和沉重的散热器，而较高的开关频率降低了EMI滤波要求。其结果是牵引系统更轻、效率更高、成本效益更高，从而显著增加了车辆行驶里程。

随着车辆转向四个独立的“轮内”牵引电机，以消除单个电机作为总故障点的情况，氮化镓在电动汽车牵引中的机会增加了。这消除了机械传动系统部件，提供了四轮驱动以实现牵引控制和安全，并提供了“n+3”冗余，以最小的性能损失或“跛行回家”完成大多数行程。GaN的速度为轮式电机提供了高效率、轻质和小尺寸，提高了车辆的整体性能和里程。

图2：电动汽车中氮化镓与硅的效益对比

除了改进充电，Navitas电动汽车客户预计，氮化镓的节能效果将转化为至少5%的续航里程。在电动汽车领域，每增加1%都是来之不易的，GaN将转换为至少5%的里程扩展。同样的估计表明，部署氮化镓可以为电池节省约500美元的典型成本，这是朝着正确方向迈出的一大步，有助于制造商将电动汽车的成本与传统ICE汽车保持一致。

结果是，通过提供一种解决方案，使电动汽车制造商能够应对充电时间、节能、价格和范围等关键挑战，集成GaN半导体将有助于加速电动汽车的普及。Navitas估计，由于氮化镓提高了效率和成本，这项技术将使电动汽车的采用速度加快三年，从而使道路部门的二氧化碳排放量进一步减少20%。

▋GaN选择

当考虑将GaN器件用于电动汽车应用时，不仅应考虑器件性能，还应考虑器件中可能内置的功能（如保护）。这可以减少外部电路并简化设计，同时减少空间和成本。

诸如GaN E-HEMT（增强型高电子迁移率晶体管）之类的“分立式”GaN功率晶体管是单功能器件，需要其他电路组件来提供功能系统。由于其系统设计复杂且在大功率系统中性能不佳，它们无法实现主流应用。此外，它们缺乏保护功能，极易受到ESD（静电放电）的影响。外部电路可以克服这些限制，但这会引入限速寄生和损耗元件，从而抵消GaN的优点。

然而，集成GaN功率IC将多个电力电子功能结合到单个GaN芯片上，并提供单个器件所需的最关键功能。这优化了效率和电源容量，降低了复杂性，降低了成本，并减少了系统设计的规模。

例如，Navitas最新的GaN功率IC将GaN功率FET、栅极驱动和保护功能集成在一起，以高速控制和保护GaN功率开关。

图3：集成GaNFast功率IC

这些GaNFast 器件基于使用该公司专有AllGaN开发的GaN-on-Si 650 V横向eMode GaN技术工艺设计工具包（PDK）。GaNFast IC本质上是易于使用、高速、高性能的“数字输入、电源输出”构建块，需要最少的附加电路。除了简化设计外，由于栅极驱动回路的阻抗基本为零，集成还可以实现几乎零关断损耗。同时，可以根据目标电动汽车应用的具体要求控制和定制开启性能。

与大多数大功率转换一样，电动汽车电源结构的设计者必须提供有效的热管理，以确保多余的热量不会影响性能或使用寿命。基于氮化镓的高效解决方案在一定程度上解决了这一问题，但由于这通常会导致功率密度增加，因此仍然存在挑战。Navitas GaN功率集成电路的热增强版本包含一个具有顶面和底面冷却功能的大型冷却垫，确保使用CS电阻器时的热性能得到增强。这也允许使用简单且经济高效的单层IMS（绝缘金属基板）。

最近，Navitas宣布推出具有精确传感功能的集成电源IC，将提高电动汽车电源应用的效率、自主性和可靠性。将这些与集成驱动器相结合，专有的GaNSense 系统电流、电压和温度的精确和可配置传感技术允许GaN IC检测高风险条件并采取行动，保护IC和系统免受任何故障的影响。其结果是一个坚固、受保护和可靠的设备，不需要外部组件。

▋支持氮化镓的发展

氮化镓技术具有高度的可持续性，同时性能和效率也得到了提高，它可以节省80%的制造和加工化学品和能源，与传统硅器件相比，在封装方面可以节省50%以上。与硅相比，氮化镓还可以减少90%的制造和运输二氧化碳排放量，最终应用的二氧化碳排放量最多可减少30%。

每一个交付的氮化镓功率集成电路净节省4千克二氧化碳，到2050年，氮化镓的潜力可以解决每年减少2.6亿吨二氧化碳的问题。这相当于超过650个燃煤发电站、60亿桶石油、5.6亿辆ICE乘用车产生的二氧化碳，或4.7亿户家庭的年用电量。2022年5月，Navitas成为世界上第一家被Natural Capital Partners（碳中和和气候融资领域领先专家）评为实现CarbonNeutral（碳中和）的半导体公司。

尽管这是电动汽车的一项新技术，但数年来，GaN器件在移动电话和笔记本电脑充电器中大量出货，可提供快速充电速度、高功率密度和小重量设计。Navitas已出货超过5000万个氮化镓器件，零相关现场故障报告。这产生了一个无与伦比的数据集，提供了可靠的质量和可靠性证明，这对于电动汽车公司有信心采用这项技术并为2kW至20kW+功率范围内的电动汽车创建高性能解决方案至关重要，这些解决方案将提供与消费者充电器应用相同的性能、质量和可靠性优势。

此外，Navitas宣布为其GaNFast技术提供突破性的20年有限保修，比典型的硅、SiC或分立GaN功率半导体长10倍，这是GaN在数据中心、太阳能和电动汽车市场应用的关键加速器。这就是为什么像电子出行先驱Brusa这样的公司公开表示，他们将从SiC转为GaN，这是进一步减少充电器尺寸和重量，同时减少二氧化碳排放量的关键因素。

许多人预计，具有大量氮化镓含量的电动汽车将于2025年问世，届时将使用针对每个电动汽车子系统优化的高度集成氮化镓功率IC。这些车辆的设计已经在进行中，需要工程支持才能使用最新的GaN技术。正因为如此，Navitas在上海开设了世界上第一家专门用于电动汽车的GaN IC设计中心，拥有一支经验丰富的电力系统设计师团队，具备电气、热力和机械设计、软件开发的综合能力，以及完整的模拟和原型制作能力。全球电动汽车客户在整个项目中都得到支持，设计中心与OBC、DC-DC和牵引系统公司合作，全面开发具有最高功率密度和效率的可生产电动汽车功率系统。

注：Charles Bailley是Navitas全球业务发展高级总监；Hao Sun是Navitas电动汽车设计中心高级总监

审核编辑 ：李倩