新興電子應(yīng)用需要能夠從更緊湊的平臺(tái)中獲得更高性能的電機(jī)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員很難滿足基于傳統(tǒng)硅 MOSFET 和 IGBT 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路的新要求。隨著硅技術(shù)達(dá)到功率密度、擊穿電壓和開關(guān)頻率的理論極限，設(shè)計(jì)人員控制功率損耗變得更加困難。這些限制的主要影響是在高工作溫度和高開關(guān)率下的次優(yōu)效率和額外的性能問題。

氮化鎵技術(shù)的發(fā)展開啟了電力電子的新時(shí)代。更大的帶隙、臨界場和電子遷移率是對(duì) GaN 技術(shù)影響最大的三個(gè)因素。為了專注于在電動(dòng)汽車、機(jī)器人、無人機(jī)和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域擴(kuò)展基于GaN 技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，EPC 在意大利都靈附近開設(shè)了一個(gè)新的設(shè)計(jì)應(yīng)用中心。

在一次采訪中，EPC 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和應(yīng)用總監(jiān) Marco Palma 討論了幫助全球 EPC 客戶設(shè)計(jì)能夠利用 GaN 技術(shù)的新一代電機(jī)系統(tǒng)的重要性。

“我們的使命是減少每個(gè)電機(jī)應(yīng)用中的電力浪費(fèi)，”Palma 說?！拔覀儧Q定在都靈建立實(shí)驗(yàn)室，因?yàn)樵谧詣?dòng)化領(lǐng)域享有歷史悠久的工業(yè)聲譽(yù)，我們立即開始與都靈理工大學(xué)的電力電子創(chuàng)新中心[PEIC]合作。PEIC 是一個(gè)跨部門中心，可以提供當(dāng)今設(shè)計(jì)現(xiàn)代汽車或工業(yè)系統(tǒng)所需的所有類型的專業(yè)知識(shí)。我們從電動(dòng)汽車和無人機(jī)中的電機(jī)開始，我們將更多地?cái)U(kuò)展到集成電路設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)我們的產(chǎn)品組合，進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍。每當(dāng)采用新技術(shù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)測的顛覆性解決方案。”

EPC 的專家正在幫助客戶縮短設(shè)計(jì)周期，并使用 GaN 實(shí)現(xiàn)更有效、更緊湊、更便宜的解決方案。此外，該中心正在研究如何利用 EPC 的GaN 技術(shù)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的潛力，以顯著提高電機(jī)的效率，從而實(shí)現(xiàn)比以前基于 MOSFET 的設(shè)計(jì)更高的功率密度設(shè)計(jì)。

“電機(jī)控制市場是多學(xué)科的，因此需要越來越多的電氣、電子和固件工程師，”Palma 說?！癎aN技術(shù)本質(zhì)上也是一種集成電路技術(shù)，因此也需要微電子工程師。無論尺寸、尺寸和效率如何，GaN 都將是一項(xiàng)重要的技術(shù)。我正在考慮所有電池供電的機(jī)器，其電池電壓范圍在 36 V 和 96 V 之間：它們可以立即 [從遷移中受益] 到 GaN 技術(shù)。”

電機(jī)控制的新設(shè)計(jì)

GaN 技術(shù)是電力電子行業(yè)寬帶隙半導(dǎo)體革命的一部分。Palma 表示，目前電動(dòng)汽車中大多數(shù)基于硅的電力電子設(shè)備將過渡到 GaN 技術(shù)。“這要?dú)w功于 GaN 提供的固有集成能力，因?yàn)樗且环N橫向技術(shù)，”Palma 說?！澳冀K可以將部分控制與 GaN 功率開關(guān)集成，而您無法使用其他技術(shù)來實(shí)現(xiàn)?！?

GaN FET 在多個(gè)方面優(yōu)于傳統(tǒng)的硅基功率器件，包括：

· GaN 的擊穿電場比硅高 10 倍以上(3.3 MV/cm 對(duì) 0.3 MV/cm)，允許基于 GaN 的功率器件在損壞之前支持高 10 倍的電壓。

· 在相同的電壓值下運(yùn)行，GaN 器件表現(xiàn)出較低的溫度并產(chǎn)生較少的熱量。因此，它們可以在比硅更高的溫度下工作，這受到其較低的結(jié)溫(150°C 至 175°C)的限制。

· 由于其固有結(jié)構(gòu)，GaN 可以在比硅更高的頻率下開關(guān)，具有低 R DS(on)，并具有出色的反向恢復(fù)能力。這反過來又會(huì)產(chǎn)生高效率，同時(shí)減少開關(guān)和功率損耗。

· 作為一種高電子遷移率晶體管，GaN 器件具有比硅器件更高的電場強(qiáng)度，從而允許更小的芯片尺寸和更小的占位面積。

在寬帶隙半導(dǎo)體領(lǐng)域，還有碳化硅，它的表現(xiàn)非常好，尤其是在更高功率應(yīng)用的電動(dòng)汽車中。對(duì)于道路上的每輛車都是電動(dòng)的，續(xù)航里程更長的電動(dòng)汽車不僅應(yīng)該成為常態(tài)，而且電池應(yīng)該更實(shí)惠，充電速度更快。汽車制造商已透露計(jì)劃在未來 5 到 10 年內(nèi)投資超過 3000 億美元用于電動(dòng)汽車。新車具有不同的電氣化水平，從輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、全混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車到零排放電池電動(dòng)汽車和燃料電池電動(dòng)汽車。

“從硅 MOSFET 解決方案轉(zhuǎn)移到 SiC MOSFET 相對(duì)容易，”Palma 說。“使用 GaN 更具挑戰(zhàn)性，但這正是機(jī)會(huì)所在。”

根據(jù) Palma 的說法，GaN 技術(shù)需要重新思考系統(tǒng)才能達(dá)到新的水平，而 SiC 通常只是對(duì)舊技術(shù)系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行改造。

“SiC 本身也是高壓的，而最高效的 GaN 是低壓 [200–350 V]，”他說?！半m然我仍然看到 SiC 技術(shù)在未來發(fā)揮重要作用，但我對(duì)它的可擴(kuò)展性有些擔(dān)憂。碳化硅制造需要難以生長的碳化硅晶圓和生產(chǎn)中的新機(jī)器，因?yàn)樘蓟杈A對(duì)光是透明的，并且所有現(xiàn)有的光刻機(jī)都是基于光反射的。此外，碳化硅晶片不是平面的，因此需要更復(fù)雜的生產(chǎn)機(jī)械。反之亦然，GaN 技術(shù)具有高度可擴(kuò)展性，因?yàn)樗谠诂F(xiàn)有襯底 [即硅] 上生長的外延膜，并且允許重復(fù)使用成熟的生產(chǎn)機(jī)器。”

電動(dòng)汽車行業(yè)有多種電動(dòng)機(jī)解決方案。由于像 EV 這樣的復(fù)雜系統(tǒng)是由多個(gè)組件組成的，這些組件在構(gòu)建和開發(fā)時(shí)沒有重新考慮整個(gè)系統(tǒng)，因此現(xiàn)在出現(xiàn)了一種瘋狂現(xiàn)象。

“一些解決方案需要三相高壓電機(jī) [800 V]，這實(shí)際上是沒有意義的，”Palma 說?！巴瑯拥膽?yīng)用可以用六相或九相電機(jī)進(jìn)行，以節(jié)省銅并提高可靠性和使用壽命。對(duì)電池進(jìn)行快速充電的要求也將市場推向高電壓，從而推動(dòng)電力電子器件采用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以減小尺寸和重量。在我看來，顛覆性解決方案將來自新興公司，它們不會(huì)被迫遵循‘我們總是以這種方式’的心態(tài)，也不必從基于機(jī)械的世界過渡到基于電子的世界?！?

GaN 晶體管提高了電源系統(tǒng)的性能，同時(shí)還降低了組件成本。但是我們?nèi)绾卧u(píng)估它的可靠性和質(zhì)量呢?

根據(jù) Palma 的說法，EPC GaN 的可靠性被證明優(yōu)于當(dāng)前的硅 MOS 技術(shù)?！艾F(xiàn)有硅技術(shù)的所有資格都是基于 1990 年的舊標(biāo)準(zhǔn)，而這些標(biāo)準(zhǔn)在今天可能不再有效，”Palma 說?！百Y格認(rèn)證計(jì)劃是基于‘測試通過’的方法，不知道界限在哪里?！?

GaN 器件的可靠性包括強(qiáng)大的故障模式分析、嚴(yán)格的設(shè)計(jì)以及一系列資格和壽命測試。所有這些努力使公司能夠?yàn)槠?、工業(yè)和航空航天應(yīng)用提供強(qiáng)大而可靠的解決方案。可靠性方面最困難的市場是汽車、工業(yè)和高可靠性航空航天領(lǐng)域。