基于GaN晶体管的500W电机驱动方案，GaN和汽车究竟是什么关系

很多朋友对基于GaN晶体管的500W电机驱动方案，GaN和汽车究竟是什么关系不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

在一些与功率半导体相关的国际会议上，如PCIM欧洲2020和半导体中国2020，以GaN和SiC为代表的宽带隙(WBG)半导体继续占据主席台的“C位”，特别是GaN在未来汽车中的作用，为未来很长一段时间的行业发展带来了机遇。今天就来说说GaN和汽车的关系，当然也要提到它的表弟SiC。氮化镓成功复制功率MOSFET

历史总是惊人的相似。EPC公司首席执行官兼联合创始人亚历克斯利多博士(Dr Alex Lidow)讲了一个故事：“44年前我第一次开发功率器件时，‘百兽之王’是硅功率双极晶体管。”1978年，他的国际整流器公司(IR)推出了功率MOSFET作为更快的替代品，取代了速度较慢且老化的双极器件。功率MOSFET的早期采用者是两极速度不够快的应用。

其标志性的例子就是台式电脑开关电源，先是苹果，再是IBM。他说，直到20世纪80年代中期，功率MOSFET的大规模生产才使功率MOSFET的成本与双极晶体管持平。当时，IR发起了取代双极晶体管的攻击，目标是占据双极晶体管市场最大份额的摩托罗拉。对此，摩托罗拉强调，MOSFET存在可靠性、价格高、供应链不可靠等问题。

尽管如此，功率MOSFET仍然被认为是在双极晶体管之前占主导地位的应用。认识到这种新技术的优势，摩托罗拉也推出了功率MOSFET，并承诺“我们做这两种技术，所以从我们这里购买最好的”。问题是它没有做出最好的功率MOSFET，最后输掉了半导体材料的争夺战。

具有讽刺意味的是，今天，功率MOSFET是“百兽之王”，而GaN-on-Si功率器件是挑战者。GaN晶体管开关比MOSFET快10倍，比IGBT快100倍。GaN会复制功率MOSFET的成功历史吗？燕子飞到大厅前的人们家里

在CES 2020通过手机充电器引爆主流消费市场之前，GaN电源市场的驱动力主要是对成本不敏感的高端高性能应用，比如航空航天、军事领域。这些应用需要高性能、高频开关、低导通电阻和小封装尺寸的芯片或模块。GaN功率器件的开始，开启了昔日王谢堂和飞入寻常百姓家的改变，更有新产品以令人目不暇接的态势出现，GaN终于迎来了自己的颠覆时刻。

GaN功率器件正在向大功率方向发展。我们可以看到，基于GaN的解决方案具有更高的效率、可靠性和功率密度，因此可以提高各种电源系统的性能，其功率密度是硅MOSFET无法达到的。在2020年，GaN(和SiC)在成本方面已经被广泛采用，尽管其总市场份额仍然很低。随着成本的降低，预计到2025年这些器件的年复合增长率将接近30%。甘可能无处不在。

为了让产品在竞争中脱颖而出，或者实现一些无法达到成本和性能目标的产品，GaN进入了电子行业的视野，其性能、可靠性和解决方案引起了业界的广泛关注。对此，GaN Systems的销售和营销副总裁Larry Spaziani有话要说。

他指出，宽带隙市场的驱动力在于其材料的带隙比硅宽得多，可以在高电压、高温和高频下工作，以满足日益增长的提高能效和延长电池寿命的需求。“甘会去哪里？它几乎无处不在。这个预测从各个细分市场的亮点和进展就可以看出来。”拉里斯帕齐亚尼说。

让我们先来看看AC/DC。2019年底，GaN已经出现在适配器中，2020年开始量产。如果功率密度达到100W/in3，效率达到99%，就必须使用宽带隙。先是SiC二极管进入市场，现在GaN开始主导服务器开关电源领域。服务器电源正在向48V和100V GaN和低压硅结合的方向发展，这个趋势已经出现。

到2024年，几乎每台服务器的交流/DC侧都将由宽带隙控制，48V交流/DC侧将有显著的GaN含量。

电机是世界上的耗电大户。虽然电压很高，但是硅还是主流。但GaN和SiC都在向高效变频驱动电机驱动系统进军。但是这个市场很保守，适应新技术的速度很慢。到2025年，会有10%到15%的替代率。

Larry Spaziani认为，在成本敏感度高、产品多样的消费市场，高端产品已经开始转向GaN，2025年中后期将达到50%。例如，电视机中的高频交流/DC电源可以做得超薄。目前，大多数高端音频系统也已改用GaN。在家用电器中，全球对效率的需求要求高端压缩机和功率因数校正(PFC)电路采用GaN和SiC。

太阳能和储能行业对成本同样敏感，在接受新技术时非常谨慎。但在过去的五年里，宽带gap产品逐渐渗透到这个市场。虽然GaN比SiC好，但是GaN没有太阳能逆变器所需的高电压。高可靠性/军用零件需要高性能、小尺寸和低重量，对成本不敏感，是GaN和SiC最快的采用者之一。正是这个市场证明了宽带gap相对于其他产品的可靠性。

未来，汽车将是宽带隙产品的最大市场。由于更高的性能和更高的可靠性，GaN将在2020年和2021年被广泛采用，重点是OBC、交流/DC功率转换和电动汽车的牵引逆变器。全甘车的证明

在2020年PCIM欧洲展上，GaN系统公司首席执行官Jim Witham推出了一款全GaN汽车。他说：“GaN技术正在改变整个行业的游戏规则。最新的GaN解决方案、设计工具和产品赢得了消费者、工业、汽车和数据中心行业客户的广泛青睐。”

全氮化镓汽车是由名古屋大学利用氮化镓系统技术开发的。它使用可再生能源太阳能电池，证明了GaN在汽车电源转换上的可行性，也适用于所有需要更高电压、频率、温度和效率的应用。太阳能全氮化镓汽车

Jim Witham认为，自2020年以来，电动汽车行业已经建立了积极的绩效目标。通过分析每个关键电子系统所需的性价比，从业者为消费者、汽车制造商和一级市场达成了以下未来目标。

车载充电器成本将从50美元/千瓦降至35，降低30%；比功率(kW/kg)将从3提高到4，重量降低30%；功率密度(kW/L)将从3.5提高到4.6，体积下降33%。效率将从百分之九十七增加到百分之九十八，损失将减少百分之三十三。硅和氮化镓汽车充电器的比较

DC-DC转换器的成本将从50美元/千瓦降至30美元/千瓦，成本将降低40%。比功率(kW/kg)将从1.2提高到4，重量降低70%；功率密度(kW/L)将从3.0提高到4.6，体积下降50%；效率从94%以上提高到98%，损耗下降了60%。牵引逆变器成本将从8美元/千瓦降至6，成本降低25%。功率密度(kW/L)将从4.0提高到33，体积下降88%。带水冷和风冷的和GaN逆变器

可以发现，这里给出的汽车GaN的用途与EPC(溥仪电力转换公司)首席执行官兼联合创始人Alex Lidow博士介绍的GaN的几种应用还是有区别的。氮化镓汽车应用

Jim Witham表示，GaN除了可以实现4通道、纳秒脉冲的高分辨率远距离激光雷达和480W的远距离光功率，还可以利用其高频无线充电的优势，在驾驶舱内实现无线充电，即以高功率和高速度同时为多部手机充电，手机可以随意放置，不受外物干扰。驾驶舱氮化镓高频无线充电车有很多应用，值得一个大GaN。

根据彭博新能源财经的数据，2018年电动汽车年用电量将为60 TWh。到2040年，如果电动汽车的使用量增加7%，用电量将达到2,333 TWh。只有宽禁带半导体才能促进节能减排。电动汽车年耗电量趋势

氮化镓技术为什么能促进车载系统的发展？Alex Lidow博士介绍了四种应用：车载信息娱乐系统的DC-DC转换器、无刷DC电机、自主导航光探测和测距(lidar)以及48V轻型混合动力(MHEV)汽车。

他表示，到2022年，全球车载信息娱乐系统的出货量将达到1.83亿台。其中，触摸屏、蓝牙通信、数字和高清电视、卫星广播、GPS导航、高级驾驶辅助系统(ADAS)、D类音频放大器、内部控制台和驾驶舱照明，甚至游戏应用都增加了对电源系统的要求，但仪表板实现这些电源的空间非常有限，散热也是一个严峻的挑战。

他认为，eGaN FET在buck变换器的硬开关应用中，具有非常低的QGD和整体开关损耗，可以大大提高效率，更容易解决散热问题。EGaN装置非常适合于上述车辆应用中的DC-DC转换器。输入电压12V到24V，体积小，可以在负载点切换2MHz的频率，不干扰AM频段。车载2MHz开关电源

在12V/3.3V变换器中用eGaN FET代替硅MOSFET，可提高效率近5%，降低2W功耗，或降低功耗50%左右。此外，eGaN FET溶液还能降低工作温度10。让我们看看无刷DC电机驱动器。目前每辆车平均有10个电机，其功能包括门锁、后备箱锁、天窗、气泵、通风系统、电池管理、加热控制、电动转向等。汽车中的电机分配

BLDC更耐用，维护简单，体积更小，更节能，反应更快，重量更轻。另外不容易出现有刷电机的各种常见故障，保修费用更低。随着汽车转向48V总线结构，功率级为30W ~ 1kW的BLDC比有刷或交流感应电机更具优势。基于GaN器件的48V车载电机驱动器也可以在高于可听频谱的频率下高效工作，扭矩更强，效率更高，有助于延长电池寿命。

不久前，EPC推出了包括驱动器、电平、同步自举电路和输入逻辑的EPC2152 ePower Stage 80VIN单片半桥集成电路，适用于500WW W以下的BLDC电机，它在单个芯片上集成了多种功能，只需三个芯片、一个数字控制器、一个电感和一个滤波器就可以构建一个完整的BLDC驱动器。

既然说到48V，就不能不提48V轻混动车的趋势。据预测，到2025年，全球售出的每10辆汽车中就有一辆是48V汽车。48V系统有助于提高燃油效率，在使用同等尺寸发动机的情况下实现4倍以上的动力，在不增加系统成本的情况下实现二氧化碳减排。这些系统需要从1kW到3.5kW的48V/12V双向转换器，其设计要求是尺寸、可靠性和成本。

基于GaN技术的48V总线系统可以提高效率，减小尺寸，降低系统成本。例如，在3 kW的多相降压转换器中，GaN器件的方案由于其快速开关特性可以高效地工作在每相250kHz，而传统MOSFET方案的工作频率非常低。每相只有125kHz。

随着工作频率的提高，可以使用更小的电感(4.7H至2.2H)和更小的电感DC阻抗(1.7m至0.7m)，因此基于GaN器件的方案功耗和尺寸更小。

GaN器件可以减小转换器的尺寸。eGaN FET方案不仅减少了单相和双开关频率的优点，而且比五相MOSFET方案具有更高的效率。满载时，其效率为0.7%。在10%的负载下，其效率为5%。这意味着满载功耗降低了21W左右。与基于MOSFET的等效系统相比，减少的相数可以降低20%的系统成本。

Alex Lidow博士最后介绍了汽车激光雷达。ADAS中使用激光雷达比雷达更好，GaN FET的一些关键参数可以充分发挥激光雷达传感器的优势，这是硅器件无法实现的。GaN器件可以在非常高的峰值电流下工作，这增加了距离帧测量的能力。超低的栅极电荷、栅极阻抗和电感都有助于提高激光雷达系统的图像分辨率和帧率。

GaN器件以芯片级封装，设计人员可以将GaN驱动电路放在激光器附近，实现快速转换，提高帧率和分辨率。

此外，在远程探测直接飞行时间(dToF lidar)系统中，利用GaN提供的大电流和短脉冲宽度，可以实现300米的能见度和厘米级的分辨率。在近距离和高精度激光雷达的应用中，GaN也有助于间接飞行时间(iToF)激光雷达一次捕获数百万像素。

德州仪器(TI)高压电源应用业务部氮化镓功率器件产品线经理斯蒂夫汤姆在展出氮化镓产品时也表示：“GaN能够实现更高效、更优秀的电源有很多原因，例如快速的爬坡时间、低导通电阻、低栅极电容和输出电容，这些都降低了开关损耗，支持多频率工作，速度通常比今天的硅基解决方案快一个数量级。

更低的损耗相当于更高效的配电，减少了热量的产生并简化了实用的冷却方案。

TI 为雷达、汽车、不间断电源、电机控制、电流测量和其他领域的应用提供了GaN 参考设计，可靠的现成电路可以帮助客户设计出尽可能高效的GaN 电源系统。

GaN 之于汽车，封装结构更重要

众所周知，传统芯片封装的内部都有金线或铜线连接内部单元和芯片封装的引脚，即焊线。这是芯片制造中非常成熟的工艺。

芯片内部的焊线工艺

功率器件大多采用传统TO-220、TO-247 和D2PAK-7 封装，以处理大多数高功率应用的电压、电流和散热问题。这些器件很容易贴合散热器，确保出色的散热效果。但其长引脚会产生寄生电感，成为高频开关的限制因素。因此，现在GaN 器件通常采用LGA 或QFN 封装及专有的GaNPX嵌入式封装，但也都离不开内部焊线。

常见的传统封装形式

随着汽车电气化、数据中心和5G 通信高效电源的应用，市场正进入快速开关、高压大功率宽带隙半导体器件的新时代，650V 及以上电压的新标准应运而生。虽然半导体技术在不断发展，但这些器件的功率封装仍在延用传统形式，使器件的功效大打折扣。

一直为MOSFET 和GaN 产品构思和开发各种封装设计的Nexperia（安世半导体）封装工程师Ding Yandoc 表示，很长时间，高压应用迫使设计师不得不使用TO-220、TO-247 及D2PAK-7 等传统功率封装形式。但随着开关频率不断提高，特别是引入了GaN 之后，这些传统封装的限制便显现出来。

Ding Yandoc 承认，高压功率FET 也有D2PAK-7 表面贴装方案，就像TO-220 一样，已成为行业认可的主流封装。即使这类封装没有长引脚带来的寄生电感问题，但其芯片内确实有焊线。随着电路板空间和元件高度的不断减小，需要考虑利用电路板散热，因此这类封装也遇到了一些问题。

他认为，封装的创新必须跟上半导体技术的节凑，在一些应用中，传统封装方案的能力绰绰有余，但为了充分发挥新型高压宽带隙半导体的优势，开发新的封装方案刻不容缓。此前已在采用的铜夹片技术在优化电气和热性能方面是很好的选择，可以引入到GaN 器件当中，特别是采用LFPAK 和CFP 封装的双极性晶体管、MOSFET 和整流二极管。

用铜夹片代替内部焊线的LFPAK 封装

LFPAK 封装的优势

除了电气和热性能优势，相比传统通孔和QFN 封装，铜夹片技术还能实现电路板级的高可靠性和焊点的高级光学检测（AOI）。为了适应级联结构GaN FET，提供可扩展的引脚尺寸，新封装还引入了几种功能，如利用Nexperia 第二代H2 氮化镓技术，将高HEMT 栅极放在芯片底部，改善了动态RDS（on），无需浮动衬底，能够用同样芯片尺寸实现更多芯片单元。

此外，通过外部连接实现了基于级联结构器件在HEMT 栅极和硅FET 源极之间的连接，但需要更改电路板布局，为此，芯片内部引入了多个支柱，既可保证一定的冗余设计，又提高了散热性能。

内部和外部栅- 源连接都采用内部连接方案

创新的CCPAK 封装将铜夹片封装技术的所有优点应用在了650V 及更高电压的应用。其显著特点之一是12mm12mm 外形尺寸，比D2PAK-7 减少了10%，高度只有2.5mm，几乎是D2PAK-7 的一半。这意味着，在相同的空间内可以容纳更大的芯片，客户还可以用相同引脚尺寸实现更高电压的产品组合。

新型CCPAK1212 功率封装

客户可以既利用高压功率晶体管铜夹片技术的好处，又能将底部散热变为顶部散热吗？可以。CCPAK1212i 可以翻转封装，为开关拓扑难以处理或需要处理环境温度的客户提供更好的芯片和电路板散热能力。

封装翻转实现灵活的顶部散热

汽车正成为氮化镓大规模采用的主角

硅器件的可靠性已被30 多年应用所证明。宽带隙半导体要由谁来证明呢？答案正是需要更高可靠性的电动汽车等新兴市场。电力电子技术的发展一直以提高功率转换效率为己任，宽带隙材料最早从SiC 二极管开始，而推动销量增长的主要动力是电动汽车对长续航里程和较低电池成本的需求。既然GaN 的可靠性毋庸置疑，那么，市场采用率和趋势的驱动力还有哪些呢？

Larry Spaziani 认为，可靠性之外还有成本和供应能力。电力电子一直是受成本控制的市场，因此，当宽带隙产品以高价进入市场时，接受度自然很低。正是一些超前型应用的采用化解了宽带隙产品的尴尬。GaN 和SiC 现在已经发展到第四代、第五代，有些地区的价格已经与硅相差无几，采用率正在逐步提升。

他相信，只有拥有合理的成本，并不断制定持续降低成本的路线图，同时还拥有一个成熟的完整供应链，确保客户在与硅产品相同的订单上获得稳定供应和可靠性，才会让宽带隙产品成为市场的真正赢家。

十年来，整个行业都存在高成本、有限的产量和受限的供应链问题。“不管技术如何，所有客户都很关心成本和供应链。在这方面宽带隙与硅很相似。不过，SiC 和GaN 的发展也存在差异。”Larry Spaziani 说。

他解释说，硅是在硅锭中生长的，然后被切成薄片，也就是晶圆；而碳化硅是块状生长的，在质量和数量上都很难保证。所以，业界最担心的是，一旦电动汽车市场启动，碳化硅的大批量供货可能出现问题。即使Cree 等一些头部企业加大了投资来扩大碳化硅产能，但供应量仍然有限。相比之下，商用和车用氮化镓是在普通硅片上开发的，大多采用标准CMOS 工艺。

氮化镓的产量只受限于外延反应室，在3 至4 个季度的交货期内，可以扩大到任何规模。因此，氮化镓没有任何供应链受限的担忧。

碳化硅和氮化镓的供应商都有自己的专有技术，通常没有多个货源。因此，客户正在系统级谋求各种货源，如使用多家供应商的器件来开发一个产品，使两个供应商的芯片都可以胜任应用。一些供应商也已经签订了多源协议，以消除客户的后顾之忧。

总结

正如Steve Tom 所说，时下对电源效率的需求越来越紧迫，功率系统设计师不必再等待GaN 革命的爆发。就在今天，GaN 的集成化解决方案，加上可以随时利用的各种针对广泛应用的参考设计，既可以缩短开发时间，又可以简化设计，让世界变得更智能，更环保。

hfy

以上知识分享希望能够帮助到大家！