用于电动汽车的宽禁带半导体

电动汽车和混合动力电动汽车的制造商正在为多个动力总成阶段寻找高效的功率转换解决方案。宽带隙半导体，如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)，在几个方面比硅具有性能优势：更高的效率和开关频率，以及承受更高工作温度和电压的能力。

为了使电动汽车能够更快地充电，汽车电力电子设计人员需要 GaN 和 SiC 器件以及能够满足电动汽车效率和功率密度要求的新型动力总成架构。为了在给定电池容量的情况下获得最大行驶里程，整个电源转换链必须尽可能实现最大效率。电池必须具有非常高的能量存储密度。电动汽车的自主性直接反映了其动力总成系统的效率。

下一代电动汽车和自动驾驶路线图会议让汽车设计师深入了解开发具有自动化功能的节能、先进电动汽车的构建模块。演讲者在题为“宽带隙半导体将如何推动电动汽车向前发展？”的小组讨论中阐述了 SiC 和 GaN 的优势。

发言人是英飞凌汽车事业部高功率业务线创新和新兴技术团队副总裁 Mark Münzer；Nexperia 功率 GaN 技术战略营销总监 Dilder Chowdhury；和意法半导体的宽带隙战略营销经理 Filippo Di Giovanni。

以下是小组讨论的重点。

零排放

EE TImes/电力电子新闻：随着汽车行业迈向“零排放”运输，制造商正在迅速加强其电气化计划。为了满足客户对性能的期望，这些电动汽车需要能够在高温下高效运行的电力电子设备。为了满足这些要求，汽车制造商和原始设备制造商正在转向 SiC 和 GaN 技术。我们在哪里可以找到电动汽车中的 GaN 和 SiC？我们需要在哪些子系统中大量使用 WBG 材料，对于我们今天所知的电动汽车类型，哪些材料是我们不能没有的？GaN/SiC 为汽车行业带来哪些变化？

马克·明泽：市场蓬勃发展；我们正处于新技术进入的阶段，有助于在多个层面实现车辆电气化。看看宽带隙，我们自然会看到该技术能够提高子系统的效率。切入点是要求满足材料特性的地方，GaN 和碳化硅在开关损耗和部分负载行为方面都非常出色。因此，宽禁带材料的第一个切入点自然是 OBC，其中，具有最高开关频率的 [WBG 材料] 开关行为绝对是一个优势。另一方面，对于主逆变器，它实际上是关于通过存储的能量来扩展车辆的行驶里程，因为最终，这才是真正与众不同的地方。

Dilder Chowdhury：“宽带隙材料，特别是碳化硅和氮化镓，正在进入车载充电器 DC/DC 等子系统中，最终将用于牵引逆变器，我们正在研究高功率配置，这将产生大多数好处。在这里，宽带隙 [材料] 具有非常好的开关性能、非常低的开关损耗和非常好的高压性能。这就是它 与传统硅超级结或 IGBT 解决方案相比做得更好的地方。

Filippo Di Giovanni：宽带隙半导体的大量使用取决于设计师为车辆设定的目标。换句话说，如果目标是极致性能，比如跑车，或者如果我们想要每个给定的电池组实现最长的续航里程，那么逆变器的硅解决方案是必须的；如果我们想更快地为电池充电，则必须围绕碳化硅和 GaN 设计 OBC。当 GaN 达到完整的汽车级能力时，它肯定会成为竞争者。因此，例如，如果电动汽车是为城市汽车设计的，那么对于有限的范围，也许传统的 IGBT 是最合适的。

图 1：EV 框图（来源：STMicroelectronics） 

主要子系统的设计挑战

EE TImes/电力电子新闻：在电动汽车中，牵引逆变器从电池中获取高电压，并为驱动汽车的电动机提供电力。逆变器控制电动机并捕获通过再生制动释放的能量，并将其返回给电池。DC/DC 转换器提供 12V 电源系统总线，转换来自高压电池的电压。逆变器的效率会影响电池在驱动电机时充电的寿命。HEV/EV 包括多个高功率设备。逆变器、OBC 和电机等主要子系统的设计挑战是什么？在氮化镓和碳化硅方面，设计人员在为该类型的应用选择合适的设备和最佳拓扑时需要考虑哪些参数？在将新电源拓扑集成到他们的系统中时，设计人员面临哪些挑战？

乔杜里：使用车载充电器，对于 PFC 阶段，我们可以充分利用功率间隙设备，特别是因为没有反向恢复充电。这为您提供了硬开关和图腾柱 PFC 配置。有以下优点：首先，您可以减少组件数量，同时，您可以减小解决方案的尺寸。然后，在 DC-DC 转换器中，我们在实验室中看到氮化镓器件的性能优于碳化硅，而且显然优于硅。所以，我们可以看到 PFC 和车载充电器的图腾柱拓扑，这个 AC-DC 级在方向性上是 DC/DC 的一大优势，即使使用软开关 LLC，它也提高了效率和更低的功率损耗。并且已经有一些例子。我们也在做一个演示，它显示，实际上，

明泽：我想我们必须看看应用的关键要求是什么，这不是简单地说主逆变器需要高效或车载充电器需要小那么简单；我们必须更仔细地研究。如果我们需要 800 伏快速充电，碳化硅肯定是一种方法，或者 IGBT 可能是 1200 伏的一个很好的解决方案。我们坚信——我也坚信——技术在应用中的共存。你可以看到主逆变器上的碳化硅和硅共存，特别是如果你有一个驱动系统[那是]四轮驱动，[就像我一样]。我通常有一台逆变器在 90% 以上的时间都在运行，但它通常以非常低的功率损耗运行，因此在部分负载下运行非常频繁。然后碳化硅的特性绝对优于IGBT的特性。所以很明显，如果我选择后桥上的主逆变器，我想要碳化硅。只要我能从我的电池中找到碳化硅，就很容易做出这个决定。

现在，如果我有第二个轴，前轴和通常的前四轮驱动大约有 10% 的时间运行，如果有的话。在这种情况下，它通常在非常高的功率水平下运行，因此采用 IGBT 设计更便宜。所以，最终——即使是在同一个应用中——根据我的要求，我可以选择任何一种技术，甚至将它们组合在同一辆车中。

Di Giovanni：让我说挑战在于效率。现在，众所周知，可以通过降低传导损耗和开关损耗来实现更高的效率。这意味着对于用于逆变器的碳化硅 MOSFET 来说，假设在 15 kHz 的频率下工作，导通电阻是最重要的参数，不仅在 25°C 下而且在更高的温度下，因为这也会影响冷却系统。该系统可以减少质量和体积，让我们不要忘记在逆变器中，冷却系统是颈部的主要问题。还有一个很大的优势，因为我们可以消除笨重的驱动器到机器的电缆。所以我们不要忘记，使用这样的集成系统，增加电机相数以减少损耗要容易得多。

关于工作频率远高于碳化硅的 GaN HEMT，我们知道 GaN 可以轻松地在 1 兆赫兹以上工作。注意规范电荷和电容很重要，因为该技术主要用于非常高频的应用。

EE TImes/电力电子新闻：要真正利用新型高压 WBG 半导体对电动汽车的好处，封装必须满足许多技术要求，以提高电气和热性能。包装注意事项有哪些？

乔杜里：氮化镓非常敏感。这是一个非常快的设备。因此，您的包装中需要具有非常低的电感。我们正在研究的实际上都是键合技术，因此我们没有与汽车封装相关的引线键合。这是一个非常低电感的封装。并且它还具有顶部和底部冷却选项，因此您可以在封装设备上实现非常好的热性能。

Münzer：碳化硅带来了封装挑战。首先，对于给定的额定功率，碳化硅器件大约是等效硅器件尺寸的四分之一。这意味着您的接触面积只有四分之一大。因此，您的功率密度会上升到可能会导致引线键合电流容量出现问题的水平。当我们达到更高的温度时，我们自然会获得更高的循环，从而获得更多的热机械应力。即使在相同的温度下，碳化硅也会得到更高的热机械应力，因为碳化硅的膨胀系数更严重。

EE TImes/电力电子新闻：典型的 OBC 架构具有双向前端 AC/DC 级，然后是隔离式双向 DC/DC 转换器，为高压电池充电。对于 OBC 的 DC/DC 级，LLC 和 LLC 衍生的双向谐振转换器拓扑可能是首选。着眼于 GaN 和 SiC 的 OBC 设计挑战是什么？

Di Giovanni：典型的 OBC 架构由 PFC 级和隔离式 DC-DC 转换器组成。现在，这个 DC-DC 转换器需要是双向的才能实现，例如，车辆到电网的运行。与移相全桥相比，LLC 拓扑通常用于提高效率，因为前者使我们能够实现零电压开关。现在，双向使用 LLC 结构的问题在于，当转换器在反向潮流模式下运行时，开关频率由变压器绕组电容和漏电感控制，这意味着几乎没有控制——或者根本没有控制——功率级的增益和开关频率。

因此，最常用的拓扑之一是所谓的 CLLLC，它具有两个电容和三个电感。在这种拓扑结构中，我们可以实现初级桥的零电压开关和次级的零电流开关。这种拓扑的缺点是开关频率需要偏离输出电压调节的一系列谐振频率。为了克服这个问题，最常用的方法是在 PFC 级调节直流母线电压而不是频率调制。这种可行的直流链路方法非常有吸引力，因为它使设计人员能够达到非常高的效率水平——大约 98%——并且总线电压从 520 伏到 240 伏不等。

一般来说，氮化镓和碳化硅都适用于 OBC。但我们不要忘记，碳化硅具有稍大的能隙和更高的迁移率；因此，它可以在更高的频率下切换。并且氮化镓可以在 1 MHz 甚至更高的频率下正常工作。所以，这就是我们今天看到的。当然，碳化硅非常有吸引力，因为体二极管的反向恢复时间很短，即使碳化硅中的V F比硅本身高一点。但最终，这是一种权衡，当 GaN 以更高的频率在相同拓扑中使用时，所有这些缺点都会消失。

图 2：技术比较（来源：英飞凌）

图 3：热模拟功率 GaN FET（来源：Nexperia）

供应链

EE Times/电力电子新闻：整个市场都受到 Covid-19 的影响。在制造方面，特别是对电动汽车的 WBG 半导体市场有何影响？供应链是否有任何变化？您是如何组织的，您预计对半导体行业有哪些短期和长期影响？

Chowdhury：对于我们所有的工厂来说，这是一个非常具有挑战性的时刻，我们的工程师正在困难时期工作。这也同样适用于我们供应链中的供应商。但令我们惊喜的是，尽管有这个困难时期，我们仍然很好地管理我们的供应链。并且它在不减少我们的音量输出的情况下工作。在许多情况下，我们提高了生产力。因此，供应链显然受到了影响，但我们已经看到供应商适应了新的现实。很明显，有些人在工厂工作，有些人不在，他们正在适应新的工作范式转变，并试图充分利用它。

Münzer：我想说我们的碳化硅项目完全没有受到 Covid-19 的影响。一切都按计划进行，以我们在 Covid 之前预期的速度进行。改变这一特定领域的过程的是汽车行业的雄心，即加快计划的发展，将更多的汽车推向市场，这是一个很好的挑战。

Di Giovanni：基本上，Covid 19 大流行由于不同原因扰乱了硅半导体的供应链——由于绝大多数人被迫在家工作，对 PC 和平板电脑的需求猛增。电动汽车的需求根本没有受到世界各地不同政府实施的限制的影响。意法半导体一直在不断投资增加前端方面的意法半导体功率碳化硅产能，并在新加坡引入了新的晶圆厂，以响应与基本上所有大陆的电动汽车制造商的许多正在进行的项目。此外，我们通过与基板供应商签订战略合同来确保晶圆供应。

总结

最后，您能否概述一下贵公司如何通过 GaN 和 SiC 进军电动汽车市场？您目前在哪里看到可以推动电动汽车未来发展的有趣应用？尤其是，您认为在不久的将来会在哪些方面发生重大变化，以通过使用 WBG 半导体来支持客户的技术要求，以优化性能并使用更小的电池实现更长的续航里程？

Münzer：  我认为碳化硅和氮化镓还有很长的路要走。我们的沟槽 MOSFET 刚刚进入市场，在这里看到了很大的潜力；我们已经在开发第二代了，众所周知，沟槽MOSFET是走向未来的一种方式。氮化镓还有更多：它可能在未来的混合系统中发挥重要作用。

Di Giovanni：ST 选择了平面技术，并坚信它仍然适用于下一代技术。而今年，我们将进入第三代，这是对仍然在平面技术上的第二代的优化。我们也在使用 GaN。我们收购了法国 Exagan 公司的多数股权，该公司顺便实现了共源共栅设计，同时我们正在与知名的领先 GaN 代工厂合作。

虽然我们认识到氮化镓与碳化硅相比处于成熟的早期阶段，但我们相信氮化镓具有巨大的潜力。因此，我们不仅针对低功耗市场；我们也瞄准了高功率。我相信在我们的世界观中，从低功率——比如说，从低功率一直到 130 千瓦——汽车市场，GaN 可以很好地参与进来。很明显，我们正在将第三代产品推向市场，第四代和第五代产品我们正在努力改进我们的特定 RDS (on)和其他参数，以实现更优化的 GaN 性能。

审核编辑 黄昊宇