本文章最初於2018年5月發表在Bodo's Power Systems網站。了解更多關於eGaN技術以及EPC GaN在汽車領域的解決方案。

隨著自駕車和電動推進技術的出現，汽車技術進入了一個復興時期。IHS Markit估計到2035年將有1200萬輛車實現自動駕駛，根據彭博新能源財經的數據，Marklines預測將有3200萬輛車配備電動推進系統。這兩個趨勢都預示著對功率半導體的需求大幅增長。這也發生在矽在電力轉換領域性能達到極限的時期，因此為基於矽基氮化鎵(GaN-on-Si)的功率器件開闢了一個龐大的新市場。

為何選擇汽車GaN技術？

在過去的八年中，GaN功率器件已經進入大規模生產，其中一些大型應用中，GaN相較於老化的矽MOSFET具有顯著優勢 − LiDAR (光探測和測距)、雷達、48 V – 12 V DC-DC轉換、高強度前照燈，以及車載充電系統。

其中之一是GaN晶體管和集成電路最早應用於LiDAR，這要歸功於Velodyne的Dave Hall的創意。該構想是以極快的速度觸發激光脈衝，這樣可以精確測量光子飛行的時間，使得能夠在幾百米的距離內以幾厘米的精度迅速測量距離。通過使用多個與旋轉軸平行排列的固態激光器堆疊在旋轉盤上，Velodyne能夠創建快速且精確的數字點雲，如圖1所示。令人驚訝的是，這種感測技術與攝像機和雷達傳感器相結合，為許多原型自駕車提供了技術支持。

圖1:  使用GaN FET的LiDAR傳感器創建快速且精確的數字點雲，供自駕車識別周圍結構和障礙物。

eGaN® FETs 和 ICs是EPC用於觸發激光的理想選擇，因為這些FET可以觸發產生極短脈寬的高電流脈衝（見圖2）。短脈寬導致更高的分辨率，而更高的脈衝電流使LiDAR系統能夠看到更遠的距離。這兩個特性，加上它們極小的尺寸，使eGaN FET非常適合於雷達和超聲波傳感器，除了LiDAR之外。

圖2: 使用 EPC2202 AEC-Q101合格FET生成1.8納秒脈衝（黃色波形），峰值電流為26A。光接收器脈衝信號顯示為藍色波形。

LiDAR僅僅是趨勢的開始。隨著用於導航和控制車輛的傳感器陣列的使用，一個新的市場為高性能圖形處理器而誕生，這些處理器可以整合這些傳感器輸入，解析其含義，並決定向自駕執行器發送什麼命令。快速處理速度是一個關鍵屬性，像Mobileye（現為Intel一部分）和NVIDIA 等公司已經推出了超快的多核處理器。這些處理器可以迅速地收集、解釋、整合並理解來自多個雷達、LiDAR、攝像頭和超聲波傳感器的所有輸入，從而安全地導航我們的道路和高速公路。

48 V – 12 V電源分配系統的需求

這些高性能處理器的成本是它們非常耗電，這對傳統汽車12 V電氣分配母線帶來了額外的負擔。為汽車LiDAR系統提供這些處理器所需的高功率水平的解決方案，與應用於運行高性能遊戲系統、高性能服務器、人工智能系統，甚至加密貨幣挖礦的解決方案是一致的 – 實施48 V分配母線，這樣可以將電流水平和導線尺寸減少四倍。同時，48 V是這些應用的最高實用電壓，因為考慮到過沖和各種故障狀況，母線上的電壓將保持在60 V以下，從而避免了額外（且昂貴）的安全措施需求。

當考慮到最新汽車上出現的所有新的耗電電子驅動功能和特徵時，48 V的優勢變得更加明顯。例如：

• 電動啟停
• 電動轉向
• 電動懸架
• 電動渦輪增壓
• 變速空調

這些新功能和特徵正在為48 V – 12 V DC-DC轉換器開闢一個大的新市場。可以在48 V產生電力，並轉換為12 V以運行遺留系統和電池組。

GaN FET和IC的卓越性能

GaN FET和IC是從48 V到12 V最有效的方式，如圖3所示。GaN器件比矽功率MOSFET小很多倍，且速度快很多倍[1]，這導致了更高的效率以及更小、更便宜的周邊元件。EPC的eGaN FET在大批量定價時也能與矽相比肩[2]。現在該技術正在通過AEC-Q101資格測試，向汽車界的廣泛採用邁出下一步。

圖3: EPC9130是一款基於EPC2045 eGaN FET的700 W 48 V – 12 V DC-DC轉換器。它比最好的基於矽的轉換器具有更高的功率密度和更高的效率。基於eGaN FET的轉換器還具有最低的物料成本。

eGaN技術已經大規模生產超過八年，在汽車應用中積累了數十億小時的成功現場經驗。

AEC-Q101認證的eGaN FET

EPC提供的首批完成AEC-Q101認證測試的產品包括EPC2202（圖4）和EPC2203（圖5），它們是具有80 V_DS額定值的晶圓級芯片封裝（WLCS）分立晶體管。這些首批AEC-Q101認證產品將很快推出多款設計用於苛刻汽車環境的分立晶體管和集成電路。

圖4:  80 VEPC2202器件通過AEC-Q101測試。其尺寸為2.1 x 1.6 mm，脈衝電流額定值為75 A。

圖5:  80 VEPC2203器件通過AEC-Q101測試。其尺寸為0.9 x 0.9 mm，脈衝電流額定值為18 A。

EPC2202是一款80 V、16 mΩ增強型FET，脈衝電流額定值為75 A，封裝尺寸為2.1mm x 1.6mm。EPC2203是一款80 V、73 mΩ元件，脈衝電流額定值為18 A，封裝尺寸為0.9mm x 0.9mm晶片級封裝。這些eGaN FET尺寸小很多倍，開關速度比它們的矽MOSFET對應物快10–100倍。兩款產品均設計用於包括以下在內的各種新興汽車應用：

• LiDAR
• 48 V – 12 V DC-DC轉換器
• 高強度前照燈
• 超高保真信息娛樂系統

為完成AEC-Q101測試，這些eGaN FET必須經受包括帶偏壓濕度測試（H3TRB）、高溫反向偏壓（HTRB）、高溫柵極偏壓（HTGB）、溫度循環（TC）等在內的嚴苛環境和偏壓應力測試。值得注意的是，這些晶圓級晶片級（WLCS）器件通過了為傳統封裝部件創建的相同測試標準，表明晶片級封裝的卓越性能並不意味著耐用性或可靠性的妥協。這些零件是在通過汽車質量管理系統標準IATF 16949認證的設施中生產的。

結論：eGaN技術進入汽車領域

隨著EPC2202和 EPC2203通過AEC-Q101資格測試，汽車電子產品現在可以充分利用eGaN器件的效率提高、速度更快、尺寸更小和成本更低的優勢。在2018年內，將有幾個額外的80 V元件進行認證，進一步擴展至更高電流的性能範圍。

參考文獻：

1. A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij, D. Reusch, GaN Transistors for Efficient Power Conversion, 第二版, Wiley, 2014年。
2. R. Cortland, “Gallium Nitride Power Transistors Priced Cheaper Than Silicon,” IEEE Spectrum, 2015年5月8日

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