基于氮化镓技术的汽车应用是否即将到来？

2018-09-10 17:24:43· 来源：汽车电子应用

（本文作者：Alex Lidow, 宜普电源转换公司CEO及共同创办人）随着自动驾驶和电力驱动汽车的出现，车载技术进入了复兴时期。根据彭博新能源金融公司Marklines的数据，IHS Markit估计到2035年，将有1200万辆汽车具备自动驾驶性能、3200万辆

（本文作者：Alex Lidow, 宜普电源转换公司CEO及共同创办人）

随着自动驾驶和电力驱动汽车的出现，车载技术进入了复兴时期。根据彭博新能源金融公司Marklines的数据，IHS Markit估计到2035年，将有1200万辆汽车具备自动驾驶性能、3200万辆汽车将拥有电力推进系统。这两种趋势都将使得对功率半导体的需求大幅增长。同时，硅器件在能量转换领域也达到其性能极限。这些因素都为硅基氮化镓(GaN-on-Si)器件开辟了具有巨大潜力的全新市场。

为什么在汽车应用采用氮化镓器件？

在过去的八年里，GaN电子器件已经进行量产。与日益老化的硅MOSFET相比，GaN器件具有明显优势，推动了多个大型新兴应用的发展，包括激光雷达、雷达、48V - 12V DC/DC转换、高强度车头灯和电动汽车的充电设备。

GaN晶体管和集成电路的其中一个应用是激光雷达，是由Velodyne的Dave Hall的创意想法所促成的。这个想法就是非常快速地触发激光脉冲，使得发射的光子的飞行时间（ToF）可以被准确地测量到，从而能够在几百米的距离，快速测量到几厘米内的距离。Velodyne使用带有多个与旋转轴平行堆叠的固态激光器的旋转磁盘，能够创建快速而准确的数字点云，如图1所示。这种传感技术与相机和雷达传感器结合起来，被许多人用来制造自动驾驶汽车的原型。

（图1：使用GaN FET的LiDAR传感器可创建快速及准确的数字点云，供自动汽车用于识别周围的建筑物和障碍物。）

宜普电源转换公司（EPC）的eGaN®FET和集成电路是用于激发激光的理想选择，因为这些场效应晶体管可以激发产生具有极短脉冲宽度的高电流脉冲（见图2）。短脉冲宽度带来更高的分辨率，而更高的脉冲电流使得激光雷达系统能够看得更远。这两个特性配以极小型化的尺寸，使得eGaN FET成为激光雷达、雷达和超声波传感器的理想器件。

（图2：通过AEC-Q101认证的eGaN FET EPC2202在峰值电流为26A产生1.8纳秒脉冲（黄色迹线）。蓝色迹线显示光学接收器脉冲信号。）

激光雷达应用只是趋势的开始。除了用于为导航和车辆控制，提供输入的传感器系列之外，还推动全新高性能图形处理器的发展，用于集成这些传感器输入，理解它们的含义，并决定向自动驾驶执行器发送哪些指令。极速处理速度是一个关键属性，诸如Mobileye（现为英特尔的一部分）和NVIDIA等公司已经推出了超高速、多核处理器。这些处理器可以足够快速地收集，解译，整合并理解弄清来自多个雷达、激光雷达、相机和超声波传感器的所有输入，使得我们能够安全地在道路和公路上驾驶。

对48V - 12V配电系统的需求

这些高性能处理器非常耗电，给传统的12V汽车配电总线带来了额外的负担。为汽车载激光雷达系统所需的处理器提供高功率的解决方案。最终成为和运行高性能游戏系统、高性能服务器、人工智能系统、甚至加密货币挖掘相同的解决方案 —— 实现48 V配电母线，其中电流水平和电缆线的尺寸可以缩减四倍。此外，48 V是这些应用最高的实际电压，由于在过冲和各种故障条件下，总线上的电压将保持在60 V以下，从而避免了额外（且昂贵）的安全措施的需要。

当考虑到最新汽车上出现了很多耗电的电子驱动功能和特性时，48V的优势变得更加明显。例如电动启停、电动转向、电动悬挂、电涡轮增压、变速空调。这些新功能和特性为48V - 12V DC/DC转换器开辟了一个巨大的新市场。用于运行传统系统和电池组的电源可以由48 V电源产生并转换为12 V。

GaN FET和集成电路的卓越性能

如图3所示，GaN FET和集成电路是将48 V转换至12 V的最有效的方法。氮化镓器件比硅功率MOSFET小很多倍，而且速度快很多倍[1]，因此效率更高，同时外围组件更小，成本更低。当批量采购时，EPC的eGaN FET的价格也与硅片相当。该技术已经通过AEC-Q101认证测试，进一步推动汽车行业广泛采用。

（图3的EPC9130是基于EPC2045 eGaN FET的700 W 48V - 12V DC/DC转换器。它比最好的硅基转换器具有更高的功率密度和更高的效率。基于eGaN FET的转换器也具有最低的材料成本。）

通过AEC-Q101认证的车规级eGaN FET

通过了AEC-Q101认证测试的产品—— EPC2202（图4）和EPC2203（图5）是晶圆级芯片级封装（WLCS）中的分立晶体管，具有80 VDS额定值，专为严苛的汽车环境而设计。

（图 4:车规级、80 V的EPC2202的尺寸是 2.1 x 1.6 毫米，脉冲电流额定值为 75 A。）

（图 5:车规级、80 V的EPC2203的尺寸是 0.9 x 0.9 毫米，脉冲电流额定值为 18 A。）

这些eGaN FET的尺寸比硅MOSFET要小很多倍、开关速度却比其高10到100倍！这两款产品都适用于各种新兴汽车应用，包括激光雷达、48V - 12V DC/DC转换器、高亮度前照灯、具超高保真度的信息娱乐系统。

eGaN技术已经量产超过8年，在汽车应用领域积累了数十亿小时的成功经验。宜普电源转换公司的两个面向严峻的车用环境的氮化镓(eGaN®)器件成功通过了国际汽车电子协会所制定的AEC Q101分立器件应力测试认证，可在车用及其它严峻环境实现多种全新应用。

要通过AEC Q101认证测试，EPC的氮化镓场效应晶体管（eGaN FET）必需通过在严峻环境及不同偏压的条件下的各种测试，包括偏压湿度测试（H3TRB）、高温反向偏压（HTRB）、高温栅极偏压（HTGB）、温度循环（TC）及其它多种不同的测试。要留意的是，EPC器件的芯片级封装也通过采用传统封装的器件的所有相同测试标准，证明芯片级封装具备卓越性能而器件同时保持坚固耐用及其高可靠性。这些eGaN器件在符合汽车质量管理系统标准IATF 16949的设备中生产。基于氮化镓（eGaN）技术的产品已进行量产超过8年，累计了数十亿小时的实际汽车应用经验

氮化镓技术在汽车的应用还是刚刚开始发展。紧随这两个通过认证的车用氮化镓器件，面向严峻的车用环境的多个分立晶体管及集成电路EPC也将在不久的未来推出，从而打造自动驾驶汽车的未来、节省汽油的使用量及提高驾驶的安全性。与目前车用、日益老化的硅基功率MOSFET相比，基于eGaN技术的产品的开关更快速、尺寸更小、效率更高及更可靠。

激光雷达（LiDAR）使用镭射脉冲快速形成三维图像或为周围环境制作电子地图。该技术可实现高准确性、覆盖更辽阔幅员及加快收集数据的速度及提高效率，其传统应用包括绘制地图、海岸线管理、地质测量、气象学及探索自然资源等应用。

相比日益老化的MOSFET器件，目前氮化镓场效应晶体管的开关速度快十倍，使得LiDAR系统具备优越的解像度及更快速反应时间等优势，由于可实现优越的开关转换，因此可推动更高准确性。这些性能推动全新及更广阔的LiDAR应用领域的出现包括支持电玩应用的侦测实时动作、以手势驱动指令的计算机及自动驾驶汽车等应用。

全球正处于对信息的需求与日俱增并达到前所未有的程度。一直以来，我们依靠电网供电来解决信息的需求，由于需要通过多级功率转换把能量分配到半导体晶片，在每一级转换时，都会有功耗，从而影响效率。功率转换一直以来都使用硅基功率晶体管。商用及低成本的氮化镓（GaN）功率晶体管及集成电路的开发及出现，为电力电子业界开创了全新的里程。基于氮化镓晶体管的48 V–12 V中间总线转换（IBC）的效率超过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）。新兴的运算应用需要小很多的外形尺寸并同时能够提供更大的功率。硅基功率转换器渐渐不能支持这个与日俱增的需求。相反地，氮化镓技术可以提高效率、缩小尺寸及降低系统成本。