隨著全球能源結構朝向低碳能源和節能運輸轉移，節能汽車產業亦正面臨著挑戰。如今，整個電動汽車(EV)市場的成長率已經超過傳統內燃機(ICE)汽車市場成長率10倍。
預計到2040年時，電動汽車市場將擁有35%的新車銷量占有率，對於一個開始大量生產不到10年的市場而言，如此的新車銷售市占是引人注目的。
隨著整個汽車產業從基於機械之系統朝向數位統轉變，與電池、電子系統及系統元件創新相結合的經濟規模，對電動汽車的成長發揮了相當重要的作用。電動汽車製造商和設計人員青睞於數位設計，而市調機構Canaccord Genuity預計，到2025年時，電動汽車解決方案中每台汽車的半導體構成部分將增加50%或更多。
本文將探討氮化鎵(GaN)電子元件以及一部分碳化矽(SiC)，在不增加汽車成本的條件下如何提高電動汽車的功率輸出和效能。
增加功率為電動車首要任務
電動汽車類別通常包括純電動車(BEV)和插電式混合動力汽車(PHEV)，也可以包括混合動力汽車(HEV)。儘管該類汽車更依賴內燃機而非電動推進系統，考慮到開發混合動力汽車所需的電子元件數量，本文將混合動力汽車界定為電動汽車的範圍。
電動汽車產業鼓勵創新電氣系統的設計和開發，以取代以往的機械系統，例如：
．空調機組：向無刷直流或三相交流電機驅動壓縮機轉移。
．真空或氣動控制：向電子控制模組(ECM)轉移。
．線控驅動(DbW)系統：向高功率機電執行器轉移。
．停車制動器：向電動卡鉗轉移。
．驅動輪系統：向端到端電氣化轉移。
邏輯上，這些系統需要電子零件，包括眾多半導體元件。有鑑於先進的電池管理技術，還將有更多的半導體介面不斷湧現。上述系統通常依靠由12V電池供電的電路中的中低壓矽(Si)MOSFET(≤150V)。目前業界正透過更高電壓電池(24V和/或48V)來替代12V電池，以適應更高的電力需求，而不增加電線線徑及布線成本；此替換過程同時也減少了銅線的重量，提高了驅動效率。
到目前為止，驅動輪電氣化還要求汽車擁有第二個250V~450V高壓(HV)電池以及配套電子設備，原因在於預計未來電池電壓將升高，這將需要更新更先進電子設備。
突破成本效益有助電動車普及
相較於傳統內燃機汽車，這一點更為明顯。對於電動汽車而言，每一點重量都很重要。太重會降低產品使用壽命和消費者體驗品質，而且與任何產品一樣，成本控制(理想情況下/降低成本)仍然是重點所在。即使設計中增加了新功能，整體系統成本也必須順應市場對價格的壓力。
所有這些新系統的推出，大幅增加了半導體和其他電子產品的數量以及所需的電池功率，理論上，這意味著更多的重量和更高的成本。一般而言，隨著匯流排電壓的增加，矽電晶體開關的成本會更高，這與汽車電氣化的要求是相對的。此外，一些新的車載系統的性能需要超多數量的矽元件，進而增加了系統規模、重量和成本。
實質上，新型電動汽車系統難以支援HV Si MOSFETs、IGBTs和Superjunction等現有半導體技術。相反的，該產業正在轉向功能強大的寬能隙(WBG)技術，包括SiC和矽基氮化鎵(GaN-on-Si)，這兩種突破性技術都在電動汽車市場中占有一席之地(表1)。
與Si IGBT相比，SiC提供更高的阻斷電壓、更高的工作溫度(SiC-on-SiC)和更高的開關速度。這些功能對於牽引逆變器來說是最佳的，因為它們需要間歇性地將大量能量傳輸回電池。與此同時，矽基氮化鎵開關為從低kW到10kW寬範圍的供電系統帶來益處，即交流到直流板載充電器(OBC)、直流到直流輔助功率模組(APM)、加熱和冷卻單元等。
氮化鎵的魅力在於其擁有超越矽的幾個屬性。氮化鎵提供更低的開關損耗；更快的速度，類似RF的開關速度；增加的功率密度及更好的熱預算。此外對電動汽車尤為重要的是，可降低整個系統規模、重量和成本。
氮化鎵還能夠讓工程師利用這些屬性建構系統，像是無橋式圖騰柱(Totem-pole)功率因數校正(PFC)。隨著圖騰柱PFC系統功率需求的增加，氮化鎵的益處也隨之增加(圖1)。總而言之，氮化鎵提供更低的開關損耗、更快的開關速度、更高的功率密度、更佳的熱預算，進而提高電動汽車的功率輸出和效能，且降低了重量和成本。
汽車電氣化須保證品質
汽車產業朝向汽車電氣化的轉變，不僅改變了所用技術的類型，而且對汽車供應商進行了重新定義。傳統的一級供應商從製造機械系統開始，而不是從電氣系統開始，雖然這些傳統公司已經開始針對需求開發電氣系統，但是人們對更智慧、更具創新性的電氣化的需求卻為非傳統供應商帶來了機會。
車載電力轉換系統最簡單的形式為基本的交流到直流、直流到交流以及直流到直流轉換器。這些轉換器廣泛應用於當今眾多市場和應用中，包括電源、電信和非機載電池充電器。
將這些系統提供給汽車行業對交換式電源(SMPS)原始設計製造商(ODM)來說，是一項簡單且合乎邏輯的市場拓展，這些製造商也很渴望填補汽車市場不斷擴大的需求缺口。事實上，鑑於先進的電氣系統(特別是使用氮化鎵的電氣系統)需要花費數十年來開發大量專業技術，這種新的採購理念是大勢所趨。
汽車業受到高度監管，通常須要採購可查來源元件才能達到最佳的品質和可靠性，以此證明其性能滿足汽車電子委員會(AEC)產業標準。SMPS ODM需要置身於滿足這些標準的先進半導體元件和主動元件的供應商網路中。
對於氮化鎵來說，在更關鍵的電子子系統之一，符合AEC標準的元件已經存在，即配對的電源開關元件和閘極驅動器。為此，電源供應商Transphorm便提供了一款汽車級AEC-Q101認證的GaN FET，其採用TO-247封裝，導通電阻為49mΩ。相較於矽技術，這些電晶體具備所有主要的GaN優勢：開關速度最大可提高4倍，降低電壓和電流交叉損耗；功率密度最高增加40%；以及降低了整體系統規模、重量和成本(度量取決於應用)。
雖然Transphorm的FET可與大多數現成的閘極驅動器配對，但SMPS ODM和一級供應商可以使用半導體業者如Silicon Labs的隔離式半橋閘極驅動器來構建系統，這些驅動器符合AEC-Q100標準，符合汽車半導體元件的標準品質和文件要求。高壓氮化鎵電源在電源行業有些獨特，如前所述，氮化鎵元件以射頻速度開關，比現有的電力電子開關速度快得多。有鑑於此，具備高共模瞬變抑制(CMTI)的高效閘極驅動器對優化GaN FET的性能至關重要，為此，驅動器的CMTI規格最低可為200kV/μs。
氮化鎵實現更低能源損耗
氮化鎵材料的節能特性和處理高電壓操作的性能不會導致功耗下降，進而為設計人員在將來設計電動汽車時提供了決定性優勢，這包括更低的開關損耗、更快的開關速度、更高的功率密度、更出色的熱預算，並進一步降低重量和成本。除了電動汽車市場之外，基於氮化鎵的電子產品也為進一步降低資料中心和消費類設備的功耗提供了良機。電動汽車的設計者自從市場形成以來就已經實現了前所未有的創新，隨著汽車不斷的數位化，未來將會出現更多變化。未來的電動汽車將更酷、更快、更小，為駕駛者(和自動駕駛員)帶來驚人的性能提升，同時實現更低的能源消耗。
(本文作者為作者John Wilson為Silicon Labs資深產品經理，Philip Zuk為Transphorm技術行銷資深總監)
