德州儀器，GaN技術爆發(fā)在即！

德州儀器成立于 1930 年。1958 年在德州儀器的實驗室里，工程師 Jack Kilby 成功把電子器件集成在一塊半導體材料硅上，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計、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片。德州儀器初心未改，致力于通過半導體技術讓電子產品更經(jīng)濟實用，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展示了三大板塊：汽車電子、機器人、能源基礎設施，涵蓋從底層技術到先進產品和應用解決方案。最主要的看點還是在TI GaN產品對IGBT的廣泛迭代應用。

一、GaN技術簡介

1.1、GaN簡介

氮化鎵 (GaN) 是一款寬帶隙半導體，與傳統(tǒng)的硅金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 相比，它可以實現(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行電量處理，將功率轉換器的功率損耗降低 80%，并更大限度地減少對添加冷卻器件的需求。通過將更多的電量存儲在更小的空間內，GaN可以用來設計更小更輕的系統(tǒng)。

1.2、GaN技術優(yōu)勢

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

圖| TI GaN技術優(yōu)勢

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)應用

2.1、機器人行業(yè)應用

2.1.1、電機驅動系統(tǒng)

德州儀器的GaN功率半導體提供了高效的參考設計，其高開關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-010936參考設計

來源：德州儀器

德州儀器的電機驅動系統(tǒng)采用了第三代半導體技術，實現(xiàn)了體積小、效率高、輸出功率大的優(yōu)勢。德州儀器的參考設計 TIDA-010936 是一個基于氮化鎵的 48V、850W 三相GaN逆變器，適用于電機集成式伺服驅動器和機器人應用，展示了德州儀器在高功率密度設計方面的技術實力。同時，德州儀器也集成了門極驅動器和保護電路，如過流、過壓監(jiān)測等，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖|德州儀器TIDA-010936參考設計細節(jié)

來源：德州儀器

通過TI-GaN技術可以實現(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：減少功率損耗，并縮短死區(qū)時間；散熱盤可實現(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，先進的 650V 三相 GaN 智能電源模塊 (IPM) 可實現(xiàn)超過 99% 的效率。硬件、GUI 軟件和固件均經(jīng)過測試且隨時可用，有助于加快開發(fā)，從而縮短產品上市時間。

圖|IGBT IPM和GaN IPM對比

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55%，同時具有低于其2倍的功率損耗。

2.1.3、AM62A 邊緣運算處理器應用

在機器人設計的趨勢和方向上，自學習和安全性是兩個核心要素。AI 運算在邊緣完成，使得機器人能夠進行實時的自我學習和自主決策，確保操作的精準和運行的安全。德州儀器的 AM62A 邊緣運算處理器是一款異構處理器，配備 2TOPS 深度學習加速器、多達四個 Arm? Cortex? A53 處理器以及用于視頻和視覺處理的多個其他加速器，為機器人設計提供了強大的計算平臺，同時 AM62A 處理器在缺陷檢測等應用中發(fā)揮了重要作用。通過集成的攝像頭和 AI 算法，可以實現(xiàn)對生產線產品的實時缺陷檢測，輸出產能、缺陷統(tǒng)計等關鍵數(shù)據(jù)。AM62A 的高算力和豐富的外設接口，使其能夠直接處理攝像頭信號，完成視頻編解碼等任務。其獨立的 MCU 域和功能安全特性，也使其適用于汽車、監(jiān)控等領域的高安全要求應用。

圖| AM62A產品應用

來源：德州儀器

2.2、汽車電子應用

德州儀器作為一家全球性的半導體公司，在汽車電子電氣架構領域提供了廣泛的產品和解決方案。德州儀器的產品組合覆蓋超過八萬種，服務于全球十萬多家客戶，其中包括七千多種汽車級產品。

新能源汽車的核心在于其三電系統(tǒng)，即電池、電機和電控。電池管理系統(tǒng)負責監(jiān)控每節(jié)電芯的電壓和電流，實時跟蹤電池的健康、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解決方案提供實時電池狀態(tài)監(jiān)控，保障電池健康與安全。結合車載充電器和雙向直流轉換器，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、微控制器和電機控制器在汽車的主力控制器和區(qū)域控制器中扮演著關鍵角色，提供高性能計算能力，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處理器在高級駕駛輔助系統(tǒng)領域發(fā)揮著重要作用，處理來自毫米波雷達、攝像頭和激光雷達等傳感器的數(shù)據(jù)，幫助實現(xiàn)數(shù)據(jù)類采集、融合運算、決策控制、驅動等整個鏈路的管理。

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

圖|德州儀器SoC和MCU應用

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產品提供高集成度的解決方案，并符合 ISO 26262 功能安全標準。此外，德州儀器的智能保險絲技術為傳統(tǒng)的繼電器和熔斷式保險絲提供了更精準、更智能的電路保護。

圖|德州儀器ADAS產品

來源：德州儀器

在 ADAS 領域，德州儀器的傳感器技術，包括毫米波雷達、攝像頭和激光雷達，與高算力芯片相結合，實現(xiàn)從感知到?jīng)Q策的完整鏈路管理。同時，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。自動駕駛的自主控制單元面臨多項技術挑戰(zhàn)，包括在各種環(huán)境下的安全運行、數(shù)據(jù)的實時處理和 ISO 26262 功能安全認證。德州儀器基于 Arm? 的 MCU 和處理器，具備深度學習能力，支持客戶通過安全功能認證。

德州儀器的技術和解決方案致力于使電動汽車更安全、更經(jīng)濟實用，滿足市場對高效、可持續(xù)汽車技術的需求。

2.3、新能源行業(yè)應用

在能源基礎設施領域，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。這包括高壓功率轉換、電流電壓傳感、邊緣處理、深度學習 AI 運算，以及電池管理系統(tǒng)。

2.3.1、儲能行業(yè)

因為新能源的采集會受限于很多條件，比如氣候、季節(jié)、天氣，儲能系統(tǒng)是解決新能源波動性的關鍵。德州儀器的解決方案覆蓋戶儲、工商儲以及電場級別的存儲，支持在能源生產過剩時能夠有效存儲，并在需求高峰時釋放能量。

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

圖|德州儀器可堆疊電池管理單元(BMU)設計

來源：德州儀器

德州儀器系統(tǒng)級高壓電池儲能解決方案展示了 TI BMS 技術如何使儲能系統(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)測和均衡的電池監(jiān)測單元 (BMU)、用于電池簇電流、電壓和絕緣監(jiān)測的高壓監(jiān)測單元 (HMU) ，以及用于整個 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)

借助德州儀器先進的數(shù)字電源轉換、電流和電壓檢測產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)，并輕松將其與儲能系統(tǒng)和電動汽車充電基礎設施等電網(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

在能源基礎設施領域，無論是風能還是太陽能，德州儀器通過精準監(jiān)測和管理用電側，幫助客戶優(yōu)化能源使用，識別用電峰谷，實現(xiàn)能源的合理分配。

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

三、總結

德州儀器作為行業(yè)巨頭，在第三代GaN 技術繼續(xù)引領市場?？梢詾楣I(yè)、汽車、能源基礎設施等市場領域提供技術解決方案，并提供全方位支持，滿足客戶的設計需求，助力客戶成功。