【技术】GaN推动48V配电母线、BLDC、高频DC-DC转换和激光雷达测距更加高效

随着新的十年产业周期的到来，电动汽车越来越成为市场主流。传统的燃油内燃机也在逐步屈服于混合动力和全电动的新能源汽车。而在汽车产业升级的重大转变周期中，各种传统零部件都将被电子驱动控制所替代。除此之外，更加先进的高级辅助驾驶系统（ADAS-Advanced Driving Assistance System）和车载智能影音娱乐控制系统都给整车电力能耗增加了不少负担，在不能削减这部分负载的同时，还要将整体能源功耗进一步下降。这就是GaN技术蓬勃发展的原因，因为它使系统变得更小，更轻，更高效且造价更低。

图1.3kW、48V-12V DC-DC转换器的MOSFET解决方案（上）需要5个相位，而eGaN FET解决方案（下）只需要4个相位。eGaN FET解决方案体积小35%，成本低20%（价格仅供参考）。

本文将着重讨论在电动汽车系统变革中GaN技术的四种应用。

■混合动力汽车中48V配电母线

■高频DC-DC转换在车载娱乐系统中的应用

■电动车用无刷直流电机（BLDC）

■光学检测和激光雷达测距

混合动力汽车中48V配电母线

预计到2025年，全球汽车产业中，每10辆车中就会有一辆是48V混合动力汽车。48V的电力分配系统能让燃料能源系统更加高效，在不增加系统体积的同时可以轻松实现增加4倍的功率，同时不用额外增加任何成本来减少碳排放量。通常来说，这些系统使用48V转12V的双向转换器，其功率范围在1~3.5kW左右。这些电源系统的设计重点是尺寸和成本，这两者在电源转换效率上有着决定性的作用。

例如，在48V母线系统中，使用GaN技术可提高效率，缩小尺寸并降低整体系统成本。而在3kW的多相升降压双向转换拓扑结构中，基于GaN的解决方案可以有效地以每相250 kHz的频率工作，而传统MOSFET解决方案则为每相125 kHz；更高的频率可以带来更小的等效电感值从4.7uH 到2.2uH，并且其直流电路的等效电阻也将更加小，仅为0.7mΩ（原始为~1.7mΩ）。所有等效电阻和电感值的减小使得基于GaN的解决方案具有更少的损耗和更小的尺寸。如图一所示，基于GaN的解决方案相较于传统MOS方案可以带来35%体积缩减和20%的成本降低。

增加GaN器件带来的效率提升可以减少所需的负载点（POL）相数量。举例来说，在3kW的转换器系统中，使用汽车电子认证的EPC2206 eGaN FET可以带来更高工作频率和更高工作效率，从而使得MOSFET构成的系统分相从5相减少到4相，因此整个母线系统变得更小和成本更低。如图一所示，基于GaN的解决方案相较于传统MOS方案可以带来35%体积缩减和20%的成本降低。

因为分相数量的减少和开关频率的翻倍提升，基于EPC公司的GaN解决方案比5相的MOSFET方案有着明显的效率提升。从图二可以明显看出，竖轴表示的能效随着负载功率上升有着明显的高效优势。在满载情况下，GaN方案有大约0.7%的效率优势和15%的能耗，如果在轻载（10%）的情况下，GaN方案有着5%的效率提升和30%的能耗减少。满载时，GaN方案能带来21W的能耗降低。

图二.EPC2206和5相MOSFET方案的能耗和转换效率曲线图

车载娱乐信息系统

到2022年，全球车载信息娱乐系统的出货量预计将超过1.83亿套。现代信息娱乐系统包含许多先进的功能，如触摸屏功能、可变控制台和车内照明、蓝牙通信、数字和高清电视、卫星收音机、GPS导航、高级驾驶员辅助系统、强大的16扬声器D类音频，甚至于游戏。

这些耗电系统增加了车辆整体能源系统的需求。与此同时，仪表板监视器内部只有有限的空间用于额外的能源系统，虽然系统整个能源的需求直线上升，但是监控仪表盘的空间是有限的。

解决系统空间限制的一种方法是使用更高的频率。GaN器件非常适用于信息娱乐系统的DC-DC转换器，因为它们可以有效地工作在2MHz的频率下，这是避免干扰AM波段所需的频率。在硬开关应用中，例如低成本和高功率密度buck变换器拓扑的情况下，极低的门漏电荷(Q_GD)和极低的开关损耗使得GaN FET与硅基的MOSFET解决方案相比，在效率和热产生方面有相当大的改善。

图3显示了基于MOSFET的(红色曲线)和基于GaN的(蓝色曲线)的12V转3.3V的DC-DC（直流）buck变换器在2MHz下工作频率的比较。左侧纵轴是效率，右侧纵轴是功率损耗，横轴表示输出负载电流。在12V到3.3V之间使用GaN FET代替硅基MOSFET，从图中可以明显看出大约有5%的效率提高和2W功耗的节省（大约50%的功耗节省）。此外，eGaN FET运行温度低10℃左右。

图三.左图在2MHz工作频率下，GaN（蓝）和硅基MOS方案（红）的12V-3.3V DC-DC转换器的功耗和能效曲线图

无刷直流发动机 

平均每辆车有10个电动马达，用于诸如门锁、后备箱锁、伸缩顶棚、燃气泵、通风、电池管理、加热控制、电动转向等操作(如图4所示)。

图四.功率范围从30w到1kw无刷直流电机驱动在现代汽车中的典型应用

在内燃机汽车中，汽车制造商使用三种不同类型的电动机：无刷直流电动机，有刷直流电动机和交流感应电动机。无刷直流电动机更容易维护、更耐用、更小、更节能，能够有更快的反应，在更高的运行速度上显得相当轻盈。无刷直流电机相较于有刷电机的故障率更低，所以有更低的保修成本。随着汽车越来越多的使用48V母线架构，相比于有刷电机或交流感应电机，无刷直流电机在30W到1kW的功率水平上更有吸引力。

GaN设备在48V汽车电机供电方面的价值在于，它可以减小电机的尺寸和重量，在高于人耳可听频谱的频率下有效工作，具有更好的扭矩和更高的效率。

2020年3月，EPC推出了EPC2152 ePower^®功率级，单片集成80V输入电压半桥电路，包括驱动程序、电平转换、同步自举电路和输入逻辑，非常适合于约500 W以下的无刷直流电机。通过将几个功能集成到一个芯片上，一个完整的无刷直流电机驱动器可以只用三个ePower功率级的集成电路，一个数字控制器，再加上数个传感和滤波元件(见图5)。

图五.500W有刷直流电机驱动在满载时拥有高达98.5%的系统转换效率

光探测与测距(激光雷达)

激光雷达遥感系统已经在军事、航空航天、机器人和气象应用中使用了几十年。最近，激光雷达迅速成为实现自动驾驶的一项关键技术。

激光雷达在自动驾驶汽车中迅速扩张的一个促进因素是商业上可用的eGaN FET和eGaN IC的出现，这些电路可以用极短脉冲宽度的大电流脉冲来驱动激光。对于直接飞行时间测量(DTOF)来说，短脉冲宽度可以带来更高的分辨率，而更高的脉冲电流可以激发更多的激光光子，从而让激光雷达系统拥有更好的分辨率和看得更远。

极短脉冲宽度、高脉冲电流值和极小的尺寸，使GaN FET成为激光雷达的理想选择。图6展示了远程DTOF激光雷达的最新发展状况。这幅图显示了一个峰值电流高达135 A激光电流脉冲，其脉冲宽度只有2.5 ns。这种高电流和短脉冲宽度相结合，可以是激光雷达实现300米可见度和厘米级分辨率。

图六.EPC2001C 驱动的OSRAM SPL S4L90A_3 A01系统，电流峰值135A脉冲宽度2.5ns的 激光脉冲雷达

对于近距离高精度激光雷达的应用，间接飞行时间测距(ITOF)对于激光雷达很有吸引力。我们通常所说的激光闪光雷达可以在同一时间捕捉高达百万像素的帧。这种激光雷达系统不需要远距离直接飞行时间测距激光雷达的超强功率，主要是因为极快的幅值上升边沿和非常高的脉冲重复频率。

图7显示了GaN场效应管产生的近程激光雷达脉冲的示例。蓝色曲线是MOS导通时的V_DS。图中10A脉冲的上升时间为556皮秒，下降时间为203皮秒。对于激光雷达系统来说，其工作脉冲重复率可以高达100 MHz，因此纳秒脉冲宽度是必不可少的。

图七.ITOF电路可以提供10A脉冲，其上升时间556皮秒，下降时间203皮秒，可以驱动一个100MHz的脉冲发生器

在电子技术进步的推动下，汽车行业在很多方面正在进行着革新。汽车行业的首要目标是更安全的汽车、更好的乘客体验、更高的动力效率和更低的制造成本。在这篇文章中，四种方案概述分别阐述了GaN技术在各种方案中起到的重要作用。

与硅技术相比，氮化镓技术十分新颖，在达到其性能限制前，技术仍在快速发展。GaN器件的效率越来越高，朝着完整的片上电源系统的集成之旅才刚刚开始。