电动汽车发展中选择SiC和GaN的优势在哪里
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动力转换解决方案。碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)等宽带隙半导体在以下几个方面提供优于硅的性能优势：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动力总成架构。为了在给定电池容量的情况下获得最大的充电续航里程，整个电源转换链必须达到可能的最大效率。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 EV 和 AV 会议路线图让汽车设计人员深入了解了开发具有自动化功能的高能效、先进 EV 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？”的小组讨论中谈到了 SiC 和 GaN 的优势。
演讲者是英飞凌汽车事业部大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；意法半导体宽带隙战略营销经理 Filippo Di Giovanni。
以下是小组讨论的亮点。
零排放
EE Times： 随着汽车行业向“零排放”运输迈进，制造商正在迅速推进其电气化计划。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 OEM 正在转向 SiC 和 GaN 技术。我们在哪里可以找到 EV 中的 GaN 和 SiC？我们在哪些子系统中需要大量使用 WBG 材料，哪些材料对于我们今天所知道的电动汽车类型是必不可少的？GaN/SiC 为汽车行业带来哪些变化？
马克·明泽：市场正在蓬勃发展；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，使用主逆变器，它实际上是用储存的能量来扩展车辆的续航里程，因为最终，这才是真正的区别所在。
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，最终将用于牵引逆变器，我们正在研究高功率配置，这将产生最大的好处。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。这是它比传统的硅超级结或 IGBT 解决方案做得更好的地方。
Filippo Di Giovanni：宽带隙半导体的广泛使用取决于设计师为车辆设定的目标。换句话说，如果目标是极限性能，比如跑车，或者如果我们想实现每个给定电池组的最长续航里程，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，OBC 必须围绕碳化硅和 GaN 设计。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而设计的，那么对于有限的续航里程，传统的 IGBT 可能是最合适的。
图 1：EV 框图（来源：意法半导体）
主要子系统的设计挑战
EE时代：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，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。逆变器的效率会在驱动电机时影响电池充电的寿命。HEV/EV 包括几个大功率设备。主要子系统（如逆变器、OBC 和电机）的设计挑战是什么？在 GaN 和 SiC 方面，设计人员在为此类应用选择正确的器件以及最佳拓扑时需要考虑哪些参数？设计人员在将新的电源拓扑集成到他们的系统中时面临哪些挑战？
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器件，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。有好处：首先，您可以减少组件数量，同时，您可以减少解决方案的尺寸。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。因此，我们可以看到 PFC 和车载充电器的图腾柱拓扑，这种 AC-DC 级在方向性方面对 DC/DC 具有很大优势，即使使用软开关 LLC，它也能提高效率和更低的功率损耗。已经有一些例子了。我们也在做一个演示，它实际上展示了，
明泽：我认为我们必须看到应用程序的关键要求是什么，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；我们必须更详细地研究。如果我们需要 800 伏快速充电，碳化硅绝对是一种方法，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——技术在应用程序中的共存。你可以看到碳化硅和硅在主逆变器上共存，特别是如果你有一个传动系统[那是]四轮驱动，[就像我一样]。我通常有一台逆变器在 90% 以上的时间内运行，但它通常在非常低的功率损耗下运行，因此在部分负载下非常低。然后碳化硅的特性绝对优于IGBT的特性。所以很明显，如果我选择后轴上的主逆变器，我想要碳化硅。而且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。因此，最终——即使是在同一个应用程序中——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：让我说挑战全在于效率。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。这意味着对于工作在 15 kHz 的逆变器中使用的碳化硅 MOSFET，导通电阻是最重要的参数，不仅在 25°C，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，冷却系统是一个主要的痛点。还有一个很大的优势，因为我们可以消除笨重的驱动到机器的电缆。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 可以轻松工作在 1 兆赫以上。注意仪表电荷和电容很重要，因为这种技术主要用于非常高频的应用。
EE Times：要真正利用新型高压 WBG 半导体对电动汽车的优势，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？
Chowdhury ：氮化镓非常敏感。这是一个非常快速的设备。因此，您需要在封装中具有非常低的电感。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包装相关的引线键合。这是一个非常低电感的封装。而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，碳化硅器件的尺寸约为等效硅的四分之一。这意味着您的接触面积只有四分之一。因此，您的功率密度正在上升到一个水平，您可能会开始遇到当前引线键合容量的问题。当我们达到更高的温度时，我们自然会得到更高的循环，因此会产生更多的热机械应力。即使在相同的温度下，碳化硅也会获得更高的热机械应力，因为碳化硅的膨胀系数更严重。
EE Times：典型的 OBC 架构具有一个双向前端 AC/DC 级，后跟一个隔离式双向 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。从 GaN 和 SiC 来看，OBC 设计面临哪些挑战？
Di Giovanni ：典型的 OBC 架构由一个 PFC 级和一个隔离的 DC-DC 转换器组成。现在，这种 DC-DC 转换器需要双向实现，例如，车辆到电网的运行。很多时候，LLC 拓扑用于提高相移全桥的效率，因为前者使我们能够实现零电压开关。现在，用于双向使用的 LLC 结构的问题在于，当转换器工作在反向功率流模式时，开关频率由变压器绕组电容和漏感控制，这意味着几乎没有控制——或者根本不控制——功率级和开关频率的增益。
因此，最广泛使用的拓扑之一是所谓的 CLLLC，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一系列谐振频率输出电压调节。为了克服这个问题，在 PFC 阶段调节直流母线电压而不是频率调制是最常见的方法。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——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，碳化硅再次表现出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。而且氮化镓可以在 1MHz 甚至更高的频率下毫无问题地工作。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 用于更高频率的相同拓扑时，所有这些缺点都会消失。
图 2：技术比较（来源：英飞凌）
图 3：热仿真功率 GaN FET（来源：Nexperia）
供应链
EE Times：整个市场都受到了 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？供应链是否发生了变化？您是如何组织的，您预计半导体行业的短期和长期影响是什么？
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，尽管处于困难时期，我们仍能很好地管理我们的供应链。而且它的工作量不会减少我们的音量输出。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正在适应新的现实。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，并试图从中获得最大的收益。
Münzer ：我想说，我们的碳化硅计划根本没有受到 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。改变这一特定领域进程的是汽车行业的雄心壮志，即加快计划，将更多车辆推向市场，这是一个很好的挑战。
Di Giovanni：基本上，Covid 19 大流行因各种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，对个人电脑和平板电脑的需求猛增。电动汽车的需求完全没有受到全球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意法半导体在前端的碳化硅产能，并在新加坡开设了一家新工厂，以响应与各大洲的电动汽车制造商正在进行的许多项目。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的有趣应用？特别是，您认为在不久的将来会在哪些方面发生重大变化，以支持您的客户通过使用 WBG 半导体以更小电池优化性能和更长距离的技术要求？
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，并看到了很大的潜力；我们已经在开发第二代，而众所周知，沟槽 MOSFET 是通向未来的一种方式。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，这是对第二代的优化，仍然是平面技术。我们也在与 GaN 合作。我们收购了法国 Exagan 公司的多数股权，顺便实现了级联设计，同时我们正在与一家知名的领先 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，但我们认为氮化镓具有巨大的潜力。因此，我们不仅针对低功耗市场；我们还瞄准高功率。我相信，从我们的世界观来看，从低功率（例如，从低功率到 130 千瓦）汽车市场，GaN 都可以很好地参与其中。显然，我们正在将我们的第三代 [推向市场]，对于我们的第四代和第五代，我们正在努力改进我们的特定 RDS (on)和其他参数，以实现 GaN 的更优化性能。
审核编辑 黄昊宇
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