GaN技术如何解决设计和可持续性挑战，以加速电动汽车的大规模采用

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图1：GaN功率半导体在电动汽车中的应用

根据最近的一份报告1，运输每年产生约80亿吨温室气体，其中乘用车几乎占总量的一半。随着我们迈向“净零排放”，转向电动汽车（EV）被视为解决方案的重要组成部分。然而，消费者仍然对续航里程和途中充电的可用性感到焦虑。

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，这主要与扩展续航里程的效率更高，更好的充电基础设施和更快的充电时间有关。硅器件不太可能满足所需的水平，因此工程师正在转向宽带隙（WBG）材料 - 特别是氮化镓（GaN）。

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氮化镓电源和电动汽车

与硅相比，GaN可以将充电速度提高三倍，使板载充电器（OBC）成为硅替代的目标。

通常，对于使用400 V和800 V电池的车辆，OBC的额定功率在3.7 kW和22 kW之间，因此需要额定电压分别为650V和1200V的功率半导体。使用集成的GaN功率IC而不是硅器件，设计人员可以缩短充电时间并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与之合作的一家制造商正在将22 kW的OBC集成到一个与现有硅基6.6 kW解决方案相同尺寸和重量的装置中，其充电速度提高了三倍。

此外，存储在电池中的能量必须传输到多个子系统，包括座椅和车窗电机、雨刮器、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至48 V或12 V。在这里，GaN将大大减少损失，尺寸和重量。

最后，GaN还有利于牵引系统的效率，尺寸和重量，这些牵引系统将能量转化为推进车辆。较低的GaN开关损耗通过降低散热来消除昂贵和沉重的散热器，同时高开关频率可降低EMI滤波要求。结果是更轻，更高效，更具成本效益的牵引系统，显着增加了车辆范围。

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，GaN在EV牵引中的机会得到了增强。这消除了机械传动系组件，为牵引力控制和安全提供了四轮驱动，并提供了“n + 3”冗余，以最小的性能损失进行大多数旅程 - 或“跛行回家”。GaN的速度为轮毂电机提供了高效率，轻巧和小尺寸，提高了车辆的整体性能和范围。

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图2：电动汽车中的GaN与硅的优势

除了改善充电外，Navitas电动汽车客户还预测，GaN带来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%是极其难得的，这使得单个技术变革的5%变得非常重要。同样的估计表明，部署GaN可以为电池节省大约500美元的典型成本 - 这是朝着帮助制造商使电动汽车成本与传统ICE车辆保持一致的正确方向迈出的一大步。

结果是，通过提供一种解决方案，使电动汽车制造商能够解决充电时间，节能，价格和范围等关键挑战，然后集成的GaN半导体将有助于加速电动汽车的吸收。Navitas估计，由于GaN的效率和成本改进，该技术将加快电动汽车的采用长达三年，从而将额外减少20%的道路部门二氧化碳排放量。

氮化镓的选择

在考虑用于EV应用的GaN器件时，不仅要考虑器件性能，还要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。

“分立式”GaN功率晶体管，如GaN E-HEMT（增强模式高电子迁移率晶体管）是单功能器件，需要其他电路组件来提供功能系统。由于系统设计复杂且在高功率系统中性能不佳，它们未能实现主流采用。此外，它们缺乏保护功能，并且非常容易受到ESD（静电放电）的影响。外部电路可以克服这些限制，但这引入了限速寄生和有损元件，否定了GaN的优势。

然而，集成的GaN功率IC将多个电力电子功能组合到单个GaN芯片上，并在单个器件中提供所需的最关键功能。这优化了效率和功率容量，降低了复杂性，降低了成本，并减小了系统设计的尺寸。

例如，Navitas最新的GaN功率IC单片集成了GaN功率FET、栅极驱动和保护功能，以高速控制和保护GaN电源开关。

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图 3： 集成式 GaN 高速电源 IC

这些 GaNFast 器件基于横向 650 V eMode 硅上氮化镓技术，该技术是使用公司专有的 AllGaN™ 工艺设计套件 （PDK） 开发的。GaNFast IC本质上是易于使用、高速、高性能的“数字输入、断电”构建模块，需要最少的额外电路。除了简化设计外，集成还可实现几乎为零的关断损耗，因为栅极驱动环路的阻抗基本为零。同时，可以根据目标电动汽车应用的特定要求控制和定制导通性能。

与大多数高功率转换一样，EV电源架构的设计人员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工作寿命。基于GaN的高效解决方案在一定程度上解决了这个问题，但由于这通常会导致功率密度增加，因此挑战仍然存在。Navitas 的 GaN 功率 IC 的热增强型版本集成了一个具有上侧和底部冷却的大型冷却垫，可确保在使用 CS 电阻器时增强的热性能。这也允许使用简单且具有成本效益的单层IMS（绝缘金属基板）。

最近，Navitas宣布推出具有精密传感功能的集成功率IC，这将提高电动汽车电源应用的效率、自主性和可靠性。将这些功能与集成驱动相结合，专有的GaNSense™技术可对系统电流、电压和温度进行精确和可配置的检测，使GaN IC能够检测高风险条件并采取行动，从而保护IC和系统免受任何故障的影响。结果是一个坚固，受保护和可靠的设备，不需要外部组件。

支持氮化镓进化

GaN技术具有高度的可持续性 - 除了性能和效率的提高外，GaN技术还可以节省80%的制造和加工化学品和能源，并且与传统的硅器件相比，包装成本可节省50%以上。与硅相比，GaN还可以将制造和运输的CO2足迹减少90%，最终应用CO2足迹减少多达30%。每出货一个氮化镓电源IC净可减少4公斤的二氧化碳，而氮化镓有可能到2050年每年减少2.6 Gtons的二氧化碳排放。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4.7亿个家庭的年用电量。2022年5月，Navitas成为世界上第一家获得碳中和和气候融资领先专家自然资本合作伙伴的碳中性公司地位的半导体公司。

尽管GaN设备是电动汽车的一项新技术，但它多年来一直在手机和笔记本电脑充电器中大量出货，可提供快速充电速度，高功率密度和小巧轻巧的设计。Navitas已经出货了超过5000万台GaN设备，其中没有报告与GaN相关的现场故障。这产生了一个无与伦比的数据集，提供了质量和可靠性的可靠证明，这对于让电动汽车公司有信心采用该技术并为2kW至20kW +功率范围内的EV创建高性能解决方案至关重要 - 这些解决方案可提供与消费类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或分立式GaN功率半导体长10倍 - 并且是GaN在数据中心，太阳能和电动汽车市场采用的关键加速器。这就是为什么像电动汽车先驱Brua这样的公司公开表示，他们将从SiC转向GaN，作为进一步减小充电器尺寸和重量的关键因素，同时减少二氧化碳足迹。

许多人预计，具有大量GaN含量的电动汽车将在2025年出现，届时将为每个电动汽车子系统优化的高度集成的GaN功率IC投入使用。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个致力于电动汽车的GaN IC设计中心，拥有一支经验丰富的电力系统设计师团队，他们在电气、热和机械设计、软件开发以及完整的仿真和原型设计方面具有综合能力。全球电动汽车客户在整个项目中都得到支持，并与OBC，DC-DC和牵引系统公司合作，设计中心全面开发具有最高功率密度和效率的可生产电动汽车电源系统。