前沿丨eGaN技术将广泛应用于汽车领域

随着全自动驾驶汽车和电力推进系统的出现，汽车技术进入了复兴时期。根据彭博新能源财经咨询公司Marklines的数据显示，IHS Markit估计到2035年将有1200万辆汽车将实现自动驾驶，同时3200万辆汽车将配有电力推进系统，并将转化为对功率半导体需求的大幅增长。同时，随着Si材料在功率转换领域接近其性能极限，也为基于硅基氮化镓（GaN-on-Si）的功率器件开辟了一个潜在的巨大全新市场。

作者：宜普电源转换公司（EPC）首席执行官兼共同创办人Alex Lidow

为什么GaN 器件适用于汽车应用？

在过去的8年中，GaN功率器件已经大量投产，而且我们看到，基于GaN器件的全新应用比基于Si-MOSFET具有明显优势，包括LiDAR（激光雷达）、雷达、48 V-12 V DC-DC 转换器、高强度照明灯和电动汽车车内充电应用等。

来自Velodyne的Dave Hall的创造性思维促使LiDAR成为GaN晶体管和IC的首类应用之一，通过非常快速地触发激光脉冲，从而可以准确地测量到发射光子的飞行时间、得以在数百米的范围内，快速测量几厘米内的距离。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，Velodyne能够创建快速而且准确的数字点云，如图1所示。令人更惊讶的是，这种感测技术结合相机和雷达传感器，很多时候被用来制造自动驾驶车辆原型。

图1：使用GaN FET的LiDAR传感器可创建快速及准确的数字点云，供自动驾驶汽车识别周围结构和障碍物

EPC的eGaN® FET是用于激光发射器的必然选择，因为可以通过触发FET产生脉宽极小的高电流脉冲（见图2），脉宽小产生更高的分辨率，而更大的脉冲电流使LiDAR系统能够看得更远。 除了LiDAR外，以上两个特性并结合尺寸极小的优势，可使得eGaN® FET非常适用于雷达和超声波传感器应用。

图2：通过AEC-Q101认证的EPC2202用于产生脉宽1.8 ns、峰值26 A的电流脉冲（黄线显示），而蓝色线代表光接收器的脉冲信号

LiDAR应用仅仅只是应用趋势的开始，随着传感器被重用于提供导航和控制车辆的输入信号源，在整合这些传感器输入，明白它们的作用并决定向自动驾驶执行器发送何种命令之时，开辟了用于高性能图形处理器的全新市场。此外，高处理速度是一个关键属性，Mobileye（现为Intel的一部分）和nVidia等公司推出了超高速多核处理器，这些处理器可以快速收集、解释、整合并理解来自多个雷达、LiDAR、相机和超声波传感器的所有输入信号，以保证车辆在道路和公路上安全行驶。

48 V-12 V配电系统的需求

这些高性能处理器所带来的附加成本是其高耗电的特性，给传统的12 V汽车配电总线带来额外的负担。为汽车LiDAR系统所需的处理器提供高功率的解决方案，最终与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等解决方案相同 -- 它们都采用48 V配电母线，而电流等级和导线尺寸可以缩小至1/4。此外，48 V是这些应用中最高的实际电压，因为即使在过冲和各种故障条件下，总线电压也将保持在60 V以下，从而不需要采取额外且昂贵的安全措施。

当考虑到如下在汽车上最新出现的、所有耗电的电动组件的功能和特性时，48 V配电系统的优势变得更加明显：

• 电动启停
• 电动转向
• 电动悬挂系统
• 电动涡轮增压
• 变速空调

这些新功能和特性为48 V-12 V DC-DC变换器开辟了一个广阔的全新市场，把48 V转换为12 V以驱动传统系统和电池。

GaN FET和IC的卓越性能

如图3所示，GaN FET和IC是实现48 V-12 V转换的最有效方案。GaN器件比功率Si-MOSFET体积小很多，而且开关速度快很多 [1]，从而具有效率更高、体积更小及成本更低的优势。其批量定价也与硅器件相同[2]。该技术已经通过AEC-Q101认证测试，并将跨进一步，为广泛被应用于汽车领域做好准备。

图3：EPC9130是基于eGaN FET EPC2045的700 W 48 V-12 V DC-DC变换器，其比基于Si器件的最优变换器具有更高的功率密度、更高的效率以及最低的材料成本。

eGaN技术已经拥有8年以上的批量生产经验，同时也在汽车领域积累了数十亿个小时的成功应用经验。

AEC-Q101认证的eGaN FET

EPC目前能够提供其完成AEC-Q101认证测试的两款产品：EPC2202（图4）和EPC2203（图5）。这两款产品均为额定80 VDS并采用晶圆级芯片尺寸封装的分立晶体管。此后，EPC将推出更多全新分立晶体管和集成电路，专为要求极高的汽车应用而设。

图4：通过AEC-Q101认证测试的80 V、尺寸2.1 x 1.6 mm、脉冲电流额定值为75 A的 EPC2202

图5：通过AEC-Q101认证测试的80 V、尺寸0.9 x 0.9 mm、脉冲电流额定值为18 A的 EPC2203

EPC2202是一款80 V、16mΩ增强型FET，其脉冲电流额定值为75 A并采用2.1 x 1.6 mm芯片尺寸封装。EPC2203为80 V、73 mΩ器件，采用0.9 x 0.9mm芯片尺寸封装且脉冲电流额定值为18 A。相对于Si-MOSFET，这些eGaN FET的尺寸要小很多，开关速度也相对提升了10到100倍。这两款产品都针对各种汽车应用而设计，包括：

• LiDAR
• 48 V-12 V DC-DC 变换器
• 高强度照明灯
• 超高保真信息娱乐系统

要完成AEC-Q101认证测试，这些eGaN FET必须经过严格的环境和偏压应力测试，包括高湿高温反偏压（H3TRB）、高温反向偏压（HTRB）、高温栅极偏压（HTGB）、温度循环（TC）以及其它相关测试。值得注意的是，这些采用晶圆级芯片尺寸封装的器件通过了与传统封装器件相同的所有标准测试，证实了芯片级封装的卓越性能而不会影响器件的鲁棒性或可靠性。此外，这些器件均是在符合汽车质量管理体系标准IATF 16949的设备中生产的。

结论：eGaN®技术将广泛用于汽车领域

随着EPC2202和EPC2203的AEC-Q101认证测试完成，汽车电子领域现在可以充分利用eGaN器件的更高效率、更快速度、更小尺寸和更低成本等优势，同时EPC将会有另外几款80 V器件在 2018年内通过认证测试，并将扩大到更高电流范围。

参考文献

[1] A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij, D. Reusch, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, Second Edition, Wiley, 2014.

[2] R. Cortland, “Gallium Nitride Power Transistors Priced Cheaper Than Silicon,” IEEE Spectrum, 8 May 2015