基于氮化鎵技術(shù)的汽車應(yīng)用是否即將到來？

2018-09-10 17:24:43· 來源：汽車電子應(yīng)用

（本文作者：Alex Lidow, 宜普電源轉(zhuǎn)換公司CEO及共同創(chuàng)辦人）隨著自動(dòng)駕駛和電力驅(qū)動(dòng)汽車的出現(xiàn)，車載技術(shù)進(jìn)入了復(fù)興時(shí)期。根據(jù)彭博新能源金融公司Marklines的數(shù)據(jù)，IHS Markit估計(jì)到2035年，將有1200萬輛汽車具備自動(dòng)駕駛性能、3200萬輛

（本文作者：Alex Lidow, 宜普電源轉(zhuǎn)換公司CEO及共同創(chuàng)辦人）

隨著自動(dòng)駕駛和電力驅(qū)動(dòng)汽車的出現(xiàn)，車載技術(shù)進(jìn)入了復(fù)興時(shí)期。根據(jù)彭博新能源金融公司Marklines的數(shù)據(jù)，IHS Markit估計(jì)到2035年，將有1200萬輛汽車具備自動(dòng)駕駛性能、3200萬輛汽車將擁有電力推進(jìn)系統(tǒng)。這兩種趨勢(shì)都將使得對(duì)功率半導(dǎo)體的需求大幅增長。同時(shí)，硅器件在能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域也達(dá)到其性能極限。這些因素都為硅基氮化鎵(GaN-on-Si)器件開辟了具有巨大潛力的全新市場(chǎng)。

為什么在汽車應(yīng)用采用氮化鎵器件？

在過去的八年里，GaN電子器件已經(jīng)進(jìn)行量產(chǎn)。與日益老化的硅MOSFET相比，GaN器件具有明顯優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)了多個(gè)大型新興應(yīng)用的發(fā)展，包括激光雷達(dá)、雷達(dá)、48V - 12V DC/DC轉(zhuǎn)換、高強(qiáng)度車頭燈和電動(dòng)汽車的充電設(shè)備。

GaN晶體管和集成電路的其中一個(gè)應(yīng)用是激光雷達(dá)，是由Velodyne的Dave Hall的創(chuàng)意想法所促成的。這個(gè)想法就是非常快速地觸發(fā)激光脈沖，使得發(fā)射的光子的飛行時(shí)間（ToF）可以被準(zhǔn)確地測(cè)量到，從而能夠在幾百米的距離，快速測(cè)量到幾厘米內(nèi)的距離。Velodyne使用帶有多個(gè)與旋轉(zhuǎn)軸平行堆疊的固態(tài)激光器的旋轉(zhuǎn)磁盤，能夠創(chuàng)建快速而準(zhǔn)確的數(shù)字點(diǎn)云，如圖1所示。這種傳感技術(shù)與相機(jī)和雷達(dá)傳感器結(jié)合起來，被許多人用來制造自動(dòng)駕駛汽車的原型。

（圖1：使用GaN FET的LiDAR傳感器可創(chuàng)建快速及準(zhǔn)確的數(shù)字點(diǎn)云，供自動(dòng)汽車用于識(shí)別周圍的建筑物和障礙物。）

宜普電源轉(zhuǎn)換公司（EPC）的eGaN®FET和集成電路是用于激發(fā)激光的理想選擇，因?yàn)檫@些場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以激發(fā)產(chǎn)生具有極短脈沖寬度的高電流脈沖（見圖2）。短脈沖寬度帶來更高的分辨率，而更高的脈沖電流使得激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠看得更遠(yuǎn)。這兩個(gè)特性配以極小型化的尺寸，使得eGaN FET成為激光雷達(dá)、雷達(dá)和超聲波傳感器的理想器件。

（圖2：通過AEC-Q101認(rèn)證的eGaN FET EPC2202在峰值電流為26A產(chǎn)生1.8納秒脈沖（黃色跡線）。藍(lán)色跡線顯示光學(xué)接收器脈沖信號(hào)。）

激光雷達(dá)應(yīng)用只是趨勢(shì)的開始。除了用于為導(dǎo)航和車輛控制，提供輸入的傳感器系列之外，還推動(dòng)全新高性能圖形處理器的發(fā)展，用于集成這些傳感器輸入，理解它們的含義，并決定向自動(dòng)駕駛執(zhí)行器發(fā)送哪些指令。極速處理速度是一個(gè)關(guān)鍵屬性，諸如Mobileye（現(xiàn)為英特爾的一部分）和NVIDIA等公司已經(jīng)推出了超高速、多核處理器。這些處理器可以足夠快速地收集，解譯，整合并理解弄清來自多個(gè)雷達(dá)、激光雷達(dá)、相機(jī)和超聲波傳感器的所有輸入，使得我們能夠安全地在道路和公路上駕駛。

對(duì)48V - 12V配電系統(tǒng)的需求

這些高性能處理器非常耗電，給傳統(tǒng)的12V汽車配電總線帶來了額外的負(fù)擔(dān)。為汽車載激光雷達(dá)系統(tǒng)所需的處理器提供高功率的解決方案。最終成為和運(yùn)行高性能游戲系統(tǒng)、高性能服務(wù)器、人工智能系統(tǒng)、甚至加密貨幣挖掘相同的解決方案 —— 實(shí)現(xiàn)48 V配電母線，其中電流水平和電纜線的尺寸可以縮減四倍。此外，48 V是這些應(yīng)用最高的實(shí)際電壓，由于在過沖和各種故障條件下，總線上的電壓將保持在60 V以下，從而避免了額外（且昂貴）的安全措施的需要。

當(dāng)考慮到最新汽車上出現(xiàn)了很多耗電的電子驅(qū)動(dòng)功能和特性時(shí)，48V的優(yōu)勢(shì)變得更加明顯。例如電動(dòng)啟停、電動(dòng)轉(zhuǎn)向、電動(dòng)懸掛、電渦輪增壓、變速空調(diào)。這些新功能和特性為48V - 12V DC/DC轉(zhuǎn)換器開辟了一個(gè)巨大的新市場(chǎng)。用于運(yùn)行傳統(tǒng)系統(tǒng)和電池組的電源可以由48 V電源產(chǎn)生并轉(zhuǎn)換為12 V。

GaN FET和集成電路的卓越性能

如圖3所示，GaN FET和集成電路是將48 V轉(zhuǎn)換至12 V的最有效的方法。氮化鎵器件比硅功率MOSFET小很多倍，而且速度快很多倍[1]，因此效率更高，同時(shí)外圍組件更小，成本更低。當(dāng)批量采購時(shí)，EPC的eGaN FET的價(jià)格也與硅片相當(dāng)。該技術(shù)已經(jīng)通過AEC-Q101認(rèn)證測(cè)試，進(jìn)一步推動(dòng)汽車行業(yè)廣泛采用。

（圖3的EPC9130是基于EPC2045 eGaN FET的700 W 48V - 12V DC/DC轉(zhuǎn)換器。它比最好的硅基轉(zhuǎn)換器具有更高的功率密度和更高的效率?；趀GaN FET的轉(zhuǎn)換器也具有最低的材料成本。）

通過AEC-Q101認(rèn)證的車規(guī)級(jí)eGaN FET

通過了AEC-Q101認(rèn)證測(cè)試的產(chǎn)品—— EPC2202（圖4）和EPC2203（圖5）是晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝（WLCS）中的分立晶體管，具有80 VDS額定值，專為嚴(yán)苛的汽車環(huán)境而設(shè)計(jì)。

（圖 4:車規(guī)級(jí)、80 V的EPC2202的尺寸是 2.1 x 1.6 毫米，脈沖電流額定值為 75 A。）

（圖 5:車規(guī)級(jí)、80 V的EPC2203的尺寸是 0.9 x 0.9 毫米，脈沖電流額定值為 18 A。）

這些eGaN FET的尺寸比硅MOSFET要小很多倍、開關(guān)速度卻比其高10到100倍！這兩款產(chǎn)品都適用于各種新興汽車應(yīng)用，包括激光雷達(dá)、48V - 12V DC/DC轉(zhuǎn)換器、高亮度前照燈、具超高保真度的信息娛樂系統(tǒng)。

eGaN技術(shù)已經(jīng)量產(chǎn)超過8年，在汽車應(yīng)用領(lǐng)域積累了數(shù)十億小時(shí)的成功經(jīng)驗(yàn)。宜普電源轉(zhuǎn)換公司的兩個(gè)面向嚴(yán)峻的車用環(huán)境的氮化鎵(eGaN®)器件成功通過了國際汽車電子協(xié)會(huì)所制定的AEC Q101分立器件應(yīng)力測(cè)試認(rèn)證，可在車用及其它嚴(yán)峻環(huán)境實(shí)現(xiàn)多種全新應(yīng)用。

要通過AEC Q101認(rèn)證測(cè)試，EPC的氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管（eGaN FET）必需通過在嚴(yán)峻環(huán)境及不同偏壓的條件下的各種測(cè)試，包括偏壓濕度測(cè)試（H3TRB）、高溫反向偏壓（HTRB）、高溫柵極偏壓（HTGB）、溫度循環(huán)（TC）及其它多種不同的測(cè)試。要留意的是，EPC器件的芯片級(jí)封裝也通過采用傳統(tǒng)封裝的器件的所有相同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，證明芯片級(jí)封裝具備卓越性能而器件同時(shí)保持堅(jiān)固耐用及其高可靠性。這些eGaN器件在符合汽車質(zhì)量管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)IATF 16949的設(shè)備中生產(chǎn)?；诘墸╡GaN）技術(shù)的產(chǎn)品已進(jìn)行量產(chǎn)超過8年，累計(jì)了數(shù)十億小時(shí)的實(shí)際汽車應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

氮化鎵技術(shù)在汽車的應(yīng)用還是剛剛開始發(fā)展。緊隨這兩個(gè)通過認(rèn)證的車用氮化鎵器件，面向嚴(yán)峻的車用環(huán)境的多個(gè)分立晶體管及集成電路EPC也將在不久的未來推出，從而打造自動(dòng)駕駛汽車的未來、節(jié)省汽油的使用量及提高駕駛的安全性。與目前車用、日益老化的硅基功率MOSFET相比，基于eGaN技術(shù)的產(chǎn)品的開關(guān)更快速、尺寸更小、效率更高及更可靠。

激光雷達(dá)（LiDAR）使用鐳射脈沖快速形成三維圖像或?yàn)橹車h(huán)境制作電子地圖。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確性、覆蓋更遼闊幅員及加快收集數(shù)據(jù)的速度及提高效率，其傳統(tǒng)應(yīng)用包括繪制地圖、海岸線管理、地質(zhì)測(cè)量、氣象學(xué)及探索自然資源等應(yīng)用。

相比日益老化的MOSFET器件，目前氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開關(guān)速度快十倍，使得LiDAR系統(tǒng)具備優(yōu)越的解像度及更快速反應(yīng)時(shí)間等優(yōu)勢(shì)，由于可實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的開關(guān)轉(zhuǎn)換，因此可推動(dòng)更高準(zhǔn)確性。這些性能推動(dòng)全新及更廣闊的LiDAR應(yīng)用領(lǐng)域的出現(xiàn)包括支持電玩應(yīng)用的偵測(cè)實(shí)時(shí)動(dòng)作、以手勢(shì)驅(qū)動(dòng)指令的計(jì)算機(jī)及自動(dòng)駕駛汽車等應(yīng)用。

全球正處于對(duì)信息的需求與日俱增并達(dá)到前所未有的程度。一直以來，我們依靠電網(wǎng)供電來解決信息的需求，由于需要通過多級(jí)功率轉(zhuǎn)換把能量分配到半導(dǎo)體晶片，在每一級(jí)轉(zhuǎn)換時(shí)，都會(huì)有功耗，從而影響效率。功率轉(zhuǎn)換一直以來都使用硅基功率晶體管。商用及低成本的氮化鎵（GaN）功率晶體管及集成電路的開發(fā)及出現(xiàn)，為電力電子業(yè)界開創(chuàng)了全新的里程?；诘壘w管的48 V–12 V中間總線轉(zhuǎn)換（IBC）的效率超過96%、功率密度大于1000 W/in3、成本低于USD $0.06/W（如果多于500,000片）。新興的運(yùn)算應(yīng)用需要小很多的外形尺寸并同時(shí)能夠提供更大的功率。硅基功率轉(zhuǎn)換器漸漸不能支持這個(gè)與日俱增的需求。相反地，氮化鎵技術(shù)可以提高效率、縮小尺寸及降低系統(tǒng)成本。