德州儀器，GaN技術(shù)爆發(fā)在即！

德州儀器成立于 1930 年。1958 年在德州儀器的實(shí)驗(yàn)室里，工程師 Jack Kilby 成功把電子器件集成在一塊半導(dǎo)體材料硅上，發(fā)明出世界上第一顆集成電路。以此為基石，德州儀器始終專注設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和銷售模擬和嵌入式處理芯片。德州儀器初心未改，致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，讓世界更美好。

2024年上海慕尼黑電子展，德州儀器帶來了重點(diǎn)展示了三大板塊：汽車電子、機(jī)器人、能源基礎(chǔ)設(shè)施，涵蓋從底層技術(shù)到先進(jìn)產(chǎn)品和應(yīng)用解決方案。最主要的看點(diǎn)還是在TI GaN產(chǎn)品對(duì)IGBT的廣泛迭代應(yīng)用。

一、GaN技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1、GaN簡(jiǎn)介

氮化鎵 (GaN) 是一款寬帶隙半導(dǎo)體，與傳統(tǒng)的硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 相比，它可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和效率。GaN 能夠比純硅解決方案更有效地進(jìn)行電量處理，將功率轉(zhuǎn)換器的功率損耗降低 80%，并更大限度地減少對(duì)添加冷卻器件的需求。通過將更多的電量存儲(chǔ)在更小的空間內(nèi)，GaN可以用來設(shè)計(jì)更小更輕的系統(tǒng)。

1.2、GaN技術(shù)優(yōu)勢(shì)

GaN 是第三代半導(dǎo)體材料，現(xiàn)在有越來越多的機(jī)器人和伺服器制造商開始探索如何在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中使用 GaN。通過集成驅(qū)動(dòng)器，TI GaN 器件可實(shí)現(xiàn)更小的尺寸，同時(shí)不受寄生參數(shù)的影響。

圖| TI GaN技術(shù)優(yōu)勢(shì)

來源：德州儀器官網(wǎng)、與非研究院整理

二、德州儀器主要展示行業(yè)應(yīng)用

2.1、機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用

2.1.1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

德州儀器的GaN功率半導(dǎo)體提供了高效的參考設(shè)計(jì)，其高開關(guān)頻率使得磁性元件體積縮小，提升了功率控制模塊的功率密度，輸出的有效功率更多。

圖|德州儀器TIDA-010936參考設(shè)計(jì)

來源：德州儀器

德州儀器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用了第三代半導(dǎo)體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了體積小、效率高、輸出功率大的優(yōu)勢(shì)。德州儀器的參考設(shè)計(jì) TIDA-010936 是一個(gè)基于氮化鎵的 48V、850W 三相GaN逆變器，適用于電機(jī)集成式伺服驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人應(yīng)用，展示了德州儀器在高功率密度設(shè)計(jì)方面的技術(shù)實(shí)力。同時(shí)，德州儀器也集成了門極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路，如過流、過壓監(jiān)測(cè)等，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖|德州儀器TIDA-010936參考設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

來源：德州儀器

通過TI-GaN技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的性能，具體分為：GaN允許將PWM頻率提高至100kHz及更高；零反向恢復(fù)：減少功率損耗，并縮短死區(qū)時(shí)間；散熱盤可實(shí)現(xiàn)更好的熱性能。

2.1.2、三相 GaN 智能電源模塊 (IPM)

德州儀器采用無傳感器 FOC 算法通過 C2000? MCU 或 MSPM0 控制三相 PMSM 電機(jī)，先進(jìn)的 650V 三相 GaN 智能電源模塊 (IPM) 可實(shí)現(xiàn)超過 99% 的效率。硬件、GUI 軟件和固件均經(jīng)過測(cè)試且隨時(shí)可用，有助于加快開發(fā)，從而縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

圖|IGBT IPM和GaN IPM對(duì)比

來源：德州儀器

與IGBT IPM解決方案相比，利用GaN IPM可將逆變器電路板尺寸減小高達(dá)55%，同時(shí)具有低于其2倍的功率損耗。

2.1.3、AM62A 邊緣運(yùn)算處理器應(yīng)用

在機(jī)器人設(shè)計(jì)的趨勢(shì)和方向上，自學(xué)習(xí)和安全性是兩個(gè)核心要素。AI 運(yùn)算在邊緣完成，使得機(jī)器人能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的自我學(xué)習(xí)和自主決策，確保操作的精準(zhǔn)和運(yùn)行的安全。德州儀器的 AM62A 邊緣運(yùn)算處理器是一款異構(gòu)處理器，配備 2TOPS 深度學(xué)習(xí)加速器、多達(dá)四個(gè) Arm? Cortex? A53 處理器以及用于視頻和視覺處理的多個(gè)其他加速器，為機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的計(jì)算平臺(tái)，同時(shí) AM62A 處理器在缺陷檢測(cè)等應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。通過集成的攝像頭和 AI 算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線產(chǎn)品的實(shí)時(shí)缺陷檢測(cè)，輸出產(chǎn)能、缺陷統(tǒng)計(jì)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。AM62A 的高算力和豐富的外設(shè)接口，使其能夠直接處理攝像頭信號(hào)，完成視頻編解碼等任務(wù)。其獨(dú)立的 MCU 域和功能安全特性，也使其適用于汽車、監(jiān)控等領(lǐng)域的高安全要求應(yīng)用。

圖| AM62A產(chǎn)品應(yīng)用

來源：德州儀器

2.2、汽車電子應(yīng)用

德州儀器作為一家全球性的半導(dǎo)體公司，在汽車電子電氣架構(gòu)領(lǐng)域提供了廣泛的產(chǎn)品和解決方案。德州儀器的產(chǎn)品組合覆蓋超過八萬種，服務(wù)于全球十萬多家客戶，其中包括七千多種汽車級(jí)產(chǎn)品。

新能源汽車的核心在于其三電系統(tǒng)，即電池、電機(jī)和電控。電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)控每節(jié)電芯的電壓和電流，實(shí)時(shí)跟蹤電池的健康、容量和充放電狀態(tài)，確保電池的性能和安全。德州儀器的BMS解決方案提供實(shí)時(shí)電池狀態(tài)監(jiān)控，保障電池健康與安全。結(jié)合車載充電器和雙向直流轉(zhuǎn)換器，德州儀器的系統(tǒng)滿足新能源汽車在續(xù)航、安全和快速充電方面的電氣系統(tǒng)需求。

圖|德州儀器BMS系統(tǒng)

來源：德州儀器

德州儀器的處理器、微控制器和電機(jī)控制器在汽車的主力控制器和區(qū)域控制器中扮演著關(guān)鍵角色，提供高性能計(jì)算能力，確保車輛電子系統(tǒng)、底盤和電池系統(tǒng)的安全和效率。

在智能車輛信息娛樂處理單元方面，德州儀器的多核異構(gòu)處理器在高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，處理來自毫米波雷達(dá)、攝像頭和激光雷達(dá)等傳感器的數(shù)據(jù)，幫助實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類采集、融合運(yùn)算、決策控制、驅(qū)動(dòng)等整個(gè)鏈路的管理。

在車輛高速互聯(lián)領(lǐng)域，德州儀器的產(chǎn)品從傳統(tǒng)的 CAN 和 LIN 總線到基于以太網(wǎng)的車載網(wǎng)絡(luò)，以及高速數(shù)據(jù)編解碼器，如 FPD-Link? 和 PCIe，提供實(shí)時(shí)、安全的數(shù)據(jù)傳輸解決方案。

圖|德州儀器SoC和MCU應(yīng)用

來源：德州儀器

電源管理是汽車電子的基石。德州儀器的電源管理 IC產(chǎn)品提供高集成度的解決方案，并符合 ISO 26262 功能安全標(biāo)準(zhǔn)。此外，德州儀器的智能保險(xiǎn)絲技術(shù)為傳統(tǒng)的繼電器和熔斷式保險(xiǎn)絲提供了更精準(zhǔn)、更智能的電路保護(hù)。

圖|德州儀器ADAS產(chǎn)品

來源：德州儀器

在 ADAS 領(lǐng)域，德州儀器的傳感器技術(shù)，包括毫米波雷達(dá)、攝像頭和激光雷達(dá)，與高算力芯片相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)從感知到?jīng)Q策的完整鏈路管理。同時(shí)，德州儀器的駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)和乘客監(jiān)控系統(tǒng)等，提升了車輛的安全性和自主性。自動(dòng)駕駛的自主控制單元面臨多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，包括在各種環(huán)境下的安全運(yùn)行、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和 ISO 26262 功能安全認(rèn)證。德州儀器基于 Arm? 的 MCU 和處理器，具備深度學(xué)習(xí)能力，支持客戶通過安全功能認(rèn)證。

德州儀器的技術(shù)和解決方案致力于使電動(dòng)汽車更安全、更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，滿足市場(chǎng)對(duì)高效、可持續(xù)汽車技術(shù)的需求。

2.3、新能源行業(yè)應(yīng)用

在能源基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，德州儀器致力于提供從能源采集到用電的全鏈路解決方案。這包括高壓功率轉(zhuǎn)換、電流電壓傳感、邊緣處理、深度學(xué)習(xí) AI 運(yùn)算，以及電池管理系統(tǒng)。

2.3.1、儲(chǔ)能行業(yè)

因?yàn)樾履茉吹牟杉瘯?huì)受限于很多條件，比如氣候、季節(jié)、天氣，儲(chǔ)能系統(tǒng)是解決新能源波動(dòng)性的關(guān)鍵。德州儀器的解決方案覆蓋戶儲(chǔ)、工商儲(chǔ)以及電場(chǎng)級(jí)別的存儲(chǔ)，支持在能源生產(chǎn)過剩時(shí)能夠有效存儲(chǔ)，并在需求高峰時(shí)釋放能量。

憑借先進(jìn)的電池管理、隔離、電流檢測(cè)和高壓電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，德州儀器可為從住宅、商業(yè)和工業(yè)系統(tǒng)到電壓高達(dá) 1500V 的電網(wǎng)規(guī)模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供支持。

圖|德州儀器可堆疊電池管理單元(BMU)設(shè)計(jì)

來源：德州儀器

德州儀器系統(tǒng)級(jí)高壓電池儲(chǔ)能解決方案展示了 TI BMS 技術(shù)如何使儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS) 更安全、更可靠且更高效。它包括用于電池電芯電壓監(jiān)測(cè)和均衡的電池監(jiān)測(cè)單元 (BMU)、用于電池簇電流、電壓和絕緣監(jiān)測(cè)的高壓監(jiān)測(cè)單元 (HMU) ，以及用于整個(gè) BMS 解決方案系統(tǒng)控制的電池控制單元 (BCU)。

2.3.2、逆變器行業(yè)

借助德州儀器先進(jìn)的數(shù)字電源轉(zhuǎn)換、電流和電壓檢測(cè)產(chǎn)品以及連接和通信解決方案，可以加快節(jié)能、可靠的太陽能系統(tǒng)的開發(fā)，并輕松將其與儲(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施等電網(wǎng)連接資源集成。德州儀器開發(fā)了基于 GaN 的1.6kW 單相微型逆變器和雙向微型逆變器系列產(chǎn)品。

圖|基于 GaN 的1.6kW 單相微型逆變器

來源：德州儀器

圖|基于 GaN 的1.6kW 雙向微型逆變器

來源：德州儀器

在能源基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，無論是風(fēng)能還是太陽能，德州儀器通過精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和管理用電側(cè)，幫助客戶優(yōu)化能源使用，識(shí)別用電峰谷，實(shí)現(xiàn)能源的合理分配。

德州儀器還關(guān)注電動(dòng)汽車的高效充電技術(shù)，包括車輛到電網(wǎng) V2G 和車輛到住宅 V2H 技術(shù)雙向充電的概念，在這種充電模式中，電動(dòng)汽車提供電池電源來滿足電力需求。德州儀器可以主力實(shí)現(xiàn)車輛與電網(wǎng)或家庭的能源互動(dòng)。

三、總結(jié)

德州儀器作為行業(yè)巨頭，在第三代GaN 技術(shù)繼續(xù)引領(lǐng)市場(chǎng)?？梢詾楣I(yè)、汽車、能源基礎(chǔ)設(shè)施等市場(chǎng)領(lǐng)域提供技術(shù)解決方案，并提供全方位支持，滿足客戶的設(shè)計(jì)需求，助力客戶成功。