【应用】EPC汽车级eGaN FET助力LiDAR、雷达、车载充电设备等汽车应用高效研发
随着自动驾驶和电力驱动汽车的出现，汽车技术进入了复兴时期。根据彭博新能源金融公司Marklines的数据，IHS Markit估计到2035年，将有1200万辆汽车具备自动驾驶，3200万辆汽车将拥有电力推进系统。这两种趋势都将使电力半导体需求大幅增长。同时硅在能量转换领域也达到其性能极限，从而为硅基氮化镓等电子器件开辟了一个巨大的新市场。
为什么要将氮化镓（GaN）用于汽车？
在过去的八年里，GaN电子器件已经量产，与过去的硅MOSFET相比，GaN具有明显优势的几个大型应用已经出现 - LiDAR（光探测和测距），雷达，48V - 12V DC-DC转换，高强度车大灯和电动汽车车载充电设备。
GaN晶体管和ICs的第一个应用就是LiDAR，Velodyne的Dave Hall的创意想法促成了这个应用。这个想法就是非常快速地触发激光脉冲，使得发射的光子的飞行时间可以被准确地测量，从而能够在几百米的距离处快速测量几厘米内的距离。使用带有多个与旋转轴平行堆叠的固态激光器的旋转磁盘，Velodyne能够创建快速而准确的数字点云，如图1所示。这种传感技术与相机和雷达传感器结合起来，被许多人用来制造自动驾驶汽车的原型。
图1：使用GaN FET的LiDAR传感器可创建快速准确的数字点云，供自动汽车用于识别周围的结构和障碍物。
来自宜普电源转换公司（EPC）的eGaN®FET和IC是用于激发激光器的合理选择，因为FET可以激发产生具有极短脉冲宽度的高电流脉冲（参见图2）。短脉冲宽度带来更高的分辨率，更高的脉冲电流，使得LiDAR系统能够看得更远。这两个特性以及极小的尺寸还使得eGaN FET非常适用于除了LiDAR外的雷达和超声波传感器。
图2：EPC符合AEC-Q101标准的eGaN FET EPC2202用于产生峰值电流为26A的1.8纳秒脉冲（黄色迹线）。光学接收器脉冲信号显示为蓝色迹线。
LiDAR只是一个趋势的开始。除了用于为导航和控制车辆提供输入的传感器系列之外，还有一个为高性能图形处理器开发的新市场，用于集成这些传感器输入，理解它们的含义，并决定向自动驾驶执行器发送哪些指令。极速处理速度是一个关键属性，诸如Mobileye（现为英特尔的一部分）和NVIDIA等公司已经推出了超高速多核处理器。这些处理器可以足够快速地收集，解译，整合并理解弄清来自多个雷达，LiDAR，相机和超声波传感器的所有输入，使得我们能安全地驾驶在道路和公路上。
需要48V - 12V配电系统
这些高性能处理器的代价是它们非常耗电，给传统的12V汽车配电总线带来了额外的负担。为汽车LiDAR系统所需的这些处理器提供高功率的解决方案最终成为和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掘相同的解决方案 —— 实现48 V配电母线，其中电流水平和电线尺寸可以减少四倍。此外，48V是这些应用中最高的实际电压，由于在过冲和各种故障条件下，总线上的电压将保持在60V以下，从而避免了额外（且昂贵）的安全措施的需要。
当考虑到最新汽车上出现了很多耗电的电子驱动功能和特性时，48V的优势变得更加明显。例如：电动启停、电动转向、电动悬挂、电涡轮增压、变速空调。这些新功能和特性为48V - 12V DC-DC转换器开辟了一个巨大的新市场。用于运行传统系统和电池组的电源可以由48V电源产生并转换为12V。
GaN FET和IC的卓越性能
如图3所示，GaN FET和IC是将48V转换至12V最有效的方式。GaN器件比硅功率MOSFET小很多倍，而且速度快很多倍，因此效率更高，同时外围组件更小，成本更低。当批量采购时，EPC的eGaN FET价格也与硅片相当。现在，该技术正在通过AEC-Q101认证测试，进一步推动汽车行业广泛采用。
图3 EPC9130
图3的EPC9130是基于EPC2045 eGaN FET的700W 48V - 12V DC-DC转换器。它比最好的硅基转换器还要具有更高的功率密度和更高的效率。基于eGaN FET的转换器也具有最低的材料成本。
eGaN技术已经量产8年以上，在汽车应用领域积累了数十亿小时的成功经验。
通过AEC-Q101认证的汽车级eGaN FETs
EPC将提供前两款已完成AEC-Q101认证测试的产品—— EPC2202（图4）和EPC2203（图5）eGaN FET是晶圆级芯片级封装（WLCS）中的分立晶体管，具有80VDS额定值。这些首批符合AEC-Q101标准认证的汽车级eGaN FET即将推出几款分立式晶体管和集成电路，专为苛刻的汽车环境而设计。
图4：EPC2202
图5：EPC2203
EPC2202是一款80V，16mΩ增强型eGaN FET，采用2.1mm x 1.6mm芯片级封装，脉冲电流额定值为75A。EPC2203是一款80V，73mΩeGaN FET，采用0.9mm x 0.9mm芯片级封装，脉冲电流额定值为18A。这些eGaN FET的尺寸比硅MOSFET要小很多倍，开关速度比其高10到100倍。这两款产品都适用于各种新兴汽车应用，包括：LiDAR、48V - 12V DC-DC转换器、高亮度前照灯、超高保真信息娱乐系统。
为了完成AEC-Q101测试，这些eGaN FET必须经过严格的环境和偏压应力测试，包括高湿高温反偏实验（H3TRB），高温反向偏压（HTRB），高温栅极偏压（HTGB），温度循环（TC）以及其他几项测试。值得注意的是，这些晶圆级芯片尺寸（WLCS）器件通过了所有与传统封装部件相同的测试标准，证明了芯片级封装的卓越性能并不意味着对坚固性或可靠性的妥协。这些部件是在符合汽车质量管理体系标准IATF 16949认证的设施中生产的。
结论：eGaN技术正在走向汽车
随着EPC2202和EPC2203 eGaN FET的AEC-Q101认证测试的完成，汽车电子现在可以充分利用eGaN器件效率高，速度快，尺寸更小和成本更低等优势。在整个2018年，还会有几个另外的80V零部件获得认证，届时将带来优良的电流性能。
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产品型号
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品类
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Configuration
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VDSmax(V)
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VGSmax(V)
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Max RDS(on) (mΩ)
@ 5 VGS
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QG typ(nC)
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QGS typ (nC)
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QGD typ (nC)
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QOSS typ (nC)
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QRR(nC)
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CISS (pF)
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COSS (pF)
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CRSS (pF)
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ID(A)
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Pulsed ID (A)
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Max TJ (°C)
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Package(mm)
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Launch Date
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EPC2040
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Enhancement Mode Power Transistor
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