本文最初发布于2018年5月在Bodo's Power Systems网站。了解更多关于eGaN技术和EPC GaN解决方案的汽车应用。

随着自动驾驶汽车和电动推进系统的出现，汽车技术进入了复兴时期。IHS Markit预计，到2035年将有1200万辆汽车实现自动驾驶，而根据彭博新能源财经和Marklines的数据，3200万辆汽车将采用电动推进系统。两者都意味着对功率半导体的需求大幅增长。这也正值硅在功率转换领域达到其性能极限之际，从而为基于硅基氮化镓(GaN-on-Si)的功率器件开辟了一个巨大的新市场。

为何选择GaN用于汽车？

在过去八年中，GaN功率器件已经实现量产，在此期间出现了几个GaN比传统的硅MOSFET具有显著优势的大型应用——LiDAR (光探测与测距)、雷达、48V - 12V DC-DC转换、高强度车头灯以及车载电动汽车充电系统。

GaN晶体管和ICs的第一个应用之一是LiDAR，这得益于Velodyne的Dave Hall的创造性思维。其思路是触发激光脉冲如此之快，以至于可以准确测量光子飞行的时间，从而能够在几百米的距离内快速测量距离精度到几厘米。通过使用一个轴上堆叠了多个固态激光器的旋转盘，Velodyne能够创建一个快速而精确的数字点云，如图1所示。令所有人惊讶的是，这项传感技术与摄像头和雷达传感器相结合，被许多人用于制造自动驾驶汽车的原型。

图1: 使用GaN FETs的LiDAR传感器创建了一个快速且精确的数字点云，自动驾驶汽车用其识别周围结构和障碍物。

来自EPC的eGaN® FETs和ICs是触发激光的合理选择，因为这些FET可以触发产生极短脉宽的高电流脉冲（见图2）。短脉宽带来更高的分辨率，而更高的脉冲电流则使LiDAR系统的探测距离更远。这些特性，加上它们的极小尺寸，使得eGaN FETs不仅适用于LiDAR，也适用于雷达和超声波传感器。

图2: EPC2202 AEC-Q101认证的FET用于产生1.8纳秒脉冲（黄色轨迹），峰值电流为26A。光接收器脉冲信号显示为蓝色轨迹。

LiDAR只是一个开始。随着用于导航和控制车辆的传感器阵列的使用，出现了一个新的市场，高性能图形处理器集成这些传感器输入，解析其含义，并决定向自动驾驶执行机构发送什么命令。快速处理速度是关键属性，如Mobileye（现为Intel的一部分）和NVIDIA等公司推出了超快速的多核处理器。这些处理器能够迅速收集、解释、整合和理解来自多个雷达、LiDAR、摄像头和超声波传感器的所有输入，以安全驾驶我们的道路和高速公路。

对48V - 12V配电系统的需求

这些高性能处理器的一个代价是它们非常耗电，并给传统的汽车12V电气配电总线带来了额外的负担。为这些处理器提供高功率的解决方案，最终用于汽车LiDAR系统的解决方案，与运行高性能游戏系统、高性能服务器、人工智能系统，甚至加密货币挖矿的解决方案相同——实现48V配电总线，其中电流水平和电线尺寸可以缩小四倍。此外，48V是这些应用的最高实际电压，因为考虑到过冲和各种故障条件，总线电压将保持在60V以下，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的所有新的耗电电子驱动功能和特性时，48V的优势更加明显。例如：

• 电动启停
• 电动转向
• 电动悬挂
• 电动涡轮增压
• 变速空调

这些新功能和特性正在为48V - 12V DC-DC转换器打开一个巨大的新市场。电力可以在48V时产生，然后转换为12V来运行传统系统和电池组。

GaN FETs和ICs的卓越性能

GaN FETs和ICs是从48V到12V的最有效方式，如图3所示。GaN器件比硅功率MOSFET小得多，速度快得多[1]，这带来了更高的效率以及更小、更低成本的外围组件。EPC的eGaN FETs在大批量定价方面也与硅相当[2]。现在，随着汽车行业通过AEC-Q101资格测试，这项技术正在向广泛采用迈进。

图3: EPC9130是一款基于EPC2045 eGaN FETs的700W 48V - 12V DC-DC转换器。它具有比最好的硅基转换器更高的功率密度和效率。基于eGaN FETs的转换器还具有最低成本的物料清单。

eGaN技术已经量产超过八年，在汽车应用中积累了数十亿小时的成功现场经验。

AEC-Q101认证的eGaN FETs

EPC推出了两款完成AEC-Q101认证测试的产品。EPC2202（图4）和EPC2203（图5）是采用晶圆级芯片封装（WLCS）的80V_DS额定电压的分立晶体管。这些第一批通过AEC-Q101认证的产品很快将会有更多分立晶体管和集成电路推出，专为恶劣的汽车环境设计。

图4: 80V EPC2202器件通过了AEC-Q101测试。其尺寸为2.1 x 1.6毫米，脉冲电流额定值为75A。

图5: 80V EPC2203器件通过了AEC-Q101测试。其尺寸为0.9 x 0.9毫米，脉冲电流额定值为18A。

EPC2202是一款80V、16mΩ增强型FET，脉冲电流额定值为75A，采用2.1mm x 1.6mm的芯片封装。EPC2203是一款80V、73mΩ的器件，脉冲电流额定值为18A，采用0.9mm x 0.9mm的芯片封装。这些eGaN FETs比硅MOSFET小得多，开关速度快10-100倍。两款产品均设计用于包括以下新兴汽车应用：

• LiDAR
• 48V - 12V DC-DC转换器
• 高强度车头灯
• 超高保真信息娱乐系统

为了完成AEC-Q101测试，这些eGaN FETs必须通过严格的环境和偏压应力测试，包括带偏置的湿度测试（H3TRB）、高温反向偏置（HTRB）、高温栅极偏置（HTGB）、温度循环（TC）以及其他几项测试。值得注意的是，这些晶圆级芯片封装（WLCS）器件通过了为传统封装器件制定的所有相同的测试标准，表明芯片封装的卓越性能并不意味着对坚固性或可靠性的妥协。这些器件是在通过汽车质量管理体系标准IATF 16949认证的工厂生产的。

结论：eGaN技术即将应用于汽车

随着EPC2202和EPC2203通过AEC-Q101认证测试，汽车电子现在可以充分利用eGaN器件的效率提升、速度更快、尺寸更小和成本更低的优势。到2018年，将有更多80V零件正在进行认证，扩展到更高电流的性能范围。

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

Alex Lidow, Ph.D., CEO and Co-founder