新興電子應(yīng)用需要能夠從更緊湊的平臺中獲得更高性能的電機設(shè)計。設(shè)計人員很難滿足基于傳統(tǒng)硅 MOSFET 和 IGBT 的電機驅(qū)動器電路的新要求。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代。更大的帶隙、臨界場和電子遷移率是對 GaN 技術(shù)影響最大的三個因素。為了專注于在電動汽車、機器人、無人機和工業(yè)自動化領(lǐng)域擴展基于GaN 技術(shù)的電機驅(qū)動應(yīng)用，EPC 在意大利都靈附近開設(shè)了一個新的設(shè)計應(yīng)用中心。

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

“我們的使命是減少每個電機應(yīng)用中的電力浪費，”Palma 說。“我們決定在都靈建立實驗室，因為在自動化領(lǐng)域享有歷史悠久的工業(yè)聲譽，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 是一個跨部門中心，可以提供當(dāng)今設(shè)計現(xiàn)代汽車或工業(yè)系統(tǒng)所需的所有類型的專業(yè)知識。我們從電動汽車和無人機中的電機開始，我們將更多地擴展到集成電路設(shè)計，以增強我們的產(chǎn)品組合，進一步擴大應(yīng)用范圍。每當(dāng)采用新技術(shù)時，就會出現(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)計周期，并使用 GaN 實現(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)在電機驅(qū)動應(yīng)用中的潛力，以顯著提高電機的效率，從而實現(xiàn)比以前基于 MOSFET 的設(shè)計更高的功率密度設(shè)計。

“電機控制市場是多學(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 都將是一項重要的技術(shù)。我正在考慮所有電池供電的機器，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)?！?

電機控制的新設(shè)計

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)?！斑@要歸功于 GaN 提供的固有集成能力，因為它是一種橫向技術(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)來實現(xiàn)?！?

GaN FET 在多個方面優(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 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。這反過來又會產(chǎn)生高效率，同時減少開關(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)用的電動汽車中。對于道路上的每輛車都是電動的，續(xù)航里程更長的電動汽車不僅應(yīng)該成為常態(tài)，而且電池應(yīng)該更實惠，充電速度更快。汽車制造商已透露計劃在未來 5 到 10 年內(nèi)投資超過 3000 億美元用于電動汽車。新車具有不同的電氣化水平，從輕度混合動力電動汽車、全混合動力電動汽車和插電式混合動力電動汽車到零排放電池電動汽車和燃料電池電動汽車。

“從硅 MOSFET 解決方案轉(zhuǎn)移到 SiC MOSFET 相對容易，”Palma 說?！笆褂?GaN 更具挑戰(zhàn)性，但這正是機會所在?！?

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 通常只是對舊技術(shù)系統(tǒng)中的設(shè)備進行改造。

“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，但我對它的可擴展性有些擔(dān)憂。碳化硅制造需要難以生長的碳化硅晶圓和生產(chǎn)中的新機器，因為碳化硅晶圓對光是透明的，并且所有現(xiàn)有的光刻機都是基于光反射的。此外，碳化硅晶片不是平面的，因此需要更復(fù)雜的生產(chǎn)機械。反之亦然，GaN 技術(shù)具有高度可擴展性，因為它基于在現(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)機器?！?

電動汽車行業(yè)有多種電動機解決方案。由于像 EV 這樣的復(fù)雜系統(tǒng)是由多個組件組成的，這些組件在構(gòu)建和開發(fā)時沒有重新考慮整個系統(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 [800 V]，這實際上是沒有意義的，”Palma 說?！巴瑯拥膽?yīng)用可以用六相或九相電機進行，以節(jié)省銅并提高可靠性和使用壽命。對電池進行快速充電的要求也將市場推向高電壓，從而推動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，它們不會被迫遵循‘我們總是以這種方式’的心態(tài)，也不必從基于機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，同時還降低了組件成本。但是我們?nèi)绾卧u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)。“現(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大的故障模式分析、嚴(yán)格的設(shè)計以及一系列資格和壽命測試。所有這些努力使公司能夠為汽車、工業(yè)和航空航天應(yīng)用提供強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。