GaN在自动驾驶领域有何机遇？从这辆车谈起

今年1月蔚来在成都2020 NIODAY上正式发布了旗下首款自动驾驶旗舰轿车ET7。

ET7搭载最新的蔚来自动驾驶技术NAD（NIO Autonomous Driving），基于NIO Aquila蔚来超感系统、NIO Adam蔚来超算平台等，将逐步实现高速、城区、停车、加电等场景下轻松安全的点到点自动驾驶体验。

其中，蔚来超感系统Aquila配备了33个感知硬件，包括11个800万像素高清摄像头、1个超远距离高精度激光雷达、5个毫米波雷达、12个超声波雷达、2个高精度定位单元、1个车路协同感知和1个增强主驾感知。

而这一次，是激光雷达第一次以主角的形态量产上车。

蔚来早在2019年7月就已经申请了激光雷达相关专利，此次ET7上采用的是来自Innovution公司的1550nm波长固态激光雷达。这款雷达最远探测距离达到500米，最高分辨率为0.06°x0.06°，水平FOV视角达到120°，是目前世界上看得最远、最清晰的量产激光雷达。

Source：蔚来官网

什么是激光雷达？

激光雷达（LiDAR）是一种对目标物件照射激光脉冲来测量物件的距离的方法。

LiDAR通过飞行时间（ToF）制成三维图像，该技术可实现高准确性、高覆盖度及高速、高效数据采集。半导体激光器因其质量小、价格低等优点，已成为雷达系统中应用最多的一种激光发射源，但由于现有的半导体激光器的发光频率有限，使得应用半导体激光器的单点雷达系统的探测点数量有限，从而影响雷达系统的探测分辨率。

LiDAR凭借精确的时间分辨率、精准的空间分辨率以及超远的探测距离等特点已成为了目前最为先进的主动遥感工具。该系统以激光束为信息载体，利用相位、振幅以及频率等来搭载信息，并将辐射源频率提高到光频段，使得该系统可以探测到极微小的目标。

LiDAR让自动驾驶汽车擦亮“双眼”

在大力研发和推进汽车自动驾驶普及过程中，汽车厂商和科技企业一直在找寻传感器和摄像头之间的最佳搭配组合，力求在有效控制成本且可以大批量生产的前提下，最大限度提升对周围环境的感知和视觉能力。

在一般的高速/环路/停车场等场景下，传统的摄像头+毫米波雷达+超声波雷达的传感器配置已然满足基本的自动驾驶需求，因为这些场景下的交通环境、交通参与者（车/人）比较单一。

然而一旦面对交通环境极为复杂的城市路况时，这三类传感器配置所提供的感知能力便显得力不从心，例如突遇障碍物、停在路边的车突然开门、从狭窄路段突然窜出的电瓶车等情景。

此时，高分辨率/灵敏度、抗干扰性强、能够实现全天时观测的LiDAR作用凸显，它能够更全面地了解地形变化，而单纯的使用摄像头或者雷达都无法胜任这项工作。

也正是因为这一优势，LiDAR技术又被称为 “解决自动驾驶汽车关键难题的灵丹妙药”，而作为自主汽车品牌当中的“技术控”，新能源汽车生产企业也成为了LiDAR的坚定支持者。

LiDAR于自动驾驶中相当于汽车的“眼睛”，通过快速触发激光脉冲，从而对周围环境制成具高分辨率、360°及三维图像。激光速度对制成极高分辨率的图像非常重要，而极高分辨率图像是自动驾驶安全化的必要条件。 LiDAR的扫描速度越快，周围环境图像的分辨率越高。

采用GaN技术，可以看得更远、更快速、更清晰

LiDAR是一种远距感测技术，从感测器发射光脉冲，并记录反射光线的时间，从而映射物件的位置及距离，需要利用于纳秒级窄脉冲工作的器件，从而实现雷达所需的距离分辨率，通常使用激光二极管产生这些脉冲。由于必须以高峰值的光功率来扫描所需的周围环境，激光二极管的峰值电流必须为10~100A，因此需要使用复杂的电路、独特而且昂贵的半导体。

LiDAR的激光器是由专门设计的电路所驱动的，它能够在短时间内提供大量电流。普通的驱动器是由一个与激光器串联、充当电流开关的元件所构成。在实际的LiDAR系统中，传统的Si器件（例如MOSFET）无法实现激光驱动器的高性能输出，其图像获取速度慢且较为模糊。

为了增强控制并提升相应性能，MOSFET的沟道必须足够大，这会增加寄生电容的充电时间，从而导致开关频率太低而不满足应用所需。此外，散热管理要达到良好的效果，就需要使用大体积、大重量的散热器，这使得LiDAR发展一度受阻。近年来， 极具成本效益的第三代半导体GaN技术陆续商用化，其优越的性能可以更快地触发激光信号，让自动驾驶汽车看得更远、更快速、更清晰。

Source：EPC官网

与Si MOSFET器件相比，GaN FET在LiDAR应用中具备多种优势：

（1）与具有相同额定电流的Si MOSFET器件相比，这些GaN器件的输入电容CISS低出10倍，从而使得GaN FET的开启速度更快。

（2）GaN FET是一种横向器件，使用晶圆级芯片规模封装（WLCSP）。WLCSP具有极低的电感、卓越的散热性能、高可靠性和最小的附加成本。

（3）GaN FET芯片的尺寸比具有相同电压和额定电流的Si MOSFET小得多，从而进一步降低了电感，并使得相邻的激光器的相互间距可以很窄，对于多种应用来说非常有利，例如适用于多通道的LiDAR应用。

图：基于GaN FET的EPC9126激光驱动器，Source：EPC官网

车用LiDAR市场规模不断扩大，GaN将因此受益

据TrendForce集邦咨询旗下光电研究处表示，LiDAR应用市场定义包含先进驾驶辅助系统（ADAS）、自动驾驶（Autonomous Vehicle）、工业（Industry）、运输（Delivery）与智慧城市（Smart City），针对上述领域预估2020年整体LiDAR市场规模为6.82亿美元，至2025年将成长至29.32亿美元，年复合成长率为34%。

Source：TrendForce集邦咨询

从车用LiDAR来看（先进驾驶辅助系统与自动驾驶），尽管2020年全球汽车产业受疫情冲击，但汽车大厂仍持续推出新能源汽车，在高端传统车与新能源车搭配ADAS系统，其中LiDAR是等级4~5自动驾驶汽车的必备传感器，车厂透过搭载LiDAR来累积数据库与提升精准度。除此之外，车用LiDAR也应用于无人巴士（Autonomous
Bus）、无人驾驶出租车（Robo-Taxi）与货车，预期车用LiDAR产值将于2025年达到24.34亿美元。 而受益于LiDAR市场规模的持续增长，GaN将大放异彩。

GaN功率厂商助力LiDAR技术革新

①EPC（宜普电源转换公司）：成立于2007年，总部位于美国，首席执行官Alex Lidow是1970年代硅功率MOSFET的共同发明者，曾在美国国际整流器（IR）公司担任长达十二年的首席执行官。宜普公司于2009年6月率先推出第一款商用增强型氮化镓（eGaN® )晶体管，目前着力推动GaN器件实现对硅器件的替代，产品数量超过100种。

对于汽车LiDAR应用，EPC于2016年与全球最大的车载激光雷达公司——Velodyne开始合作共同研发GaN固态激光雷达芯片，目前已经发布了通过美国汽车电子协会AEC-Q101认证的多款产品。此外，还有更多为LiDAR设计的场效应晶体管和IC正在进行车规级认证。

②GaN System：总部设于加拿大，领先的GaN功率晶体管制造商，拥有最大的晶体管产品组合，专门应对当今最苛刻的行业的需求，包括数据中心服务器、可再生能源系统、汽车、工业电机和消费电子产品。曾获全球半导体联盟(GSA)2015年“值得关注的初创公司(Start-Up to Watch)”奖项。

2019年与欧司朗联合研发了一款超快速激光驱动器及一款大功率多信道表面贴装式LiDAR系统用激光器。其脉冲上沿时间为1ns，四个信道可将峰值功率提升至480 W，然后以低占空比进行调制，生成远程高清3D点云，并将其应用于新款LiDAR设计中。

总结

近年来汽车自动驾驶行业爆发的势头愈加明显，L2、L3级别的自动驾驶功能商业化加速落地，L4级别自动驾驶功能也进入了试运行阶段。

在此背景下，作为实现高级别自动驾驶功能的核心产品，LiDAR在自动驾驶中起着至关重要的作用。而第三代半导体GaN因其理想的物理特性，将满足汽车领域对LiDAR的高性能需求，用以解决“旧”半导体器件的技术局限性，为自动驾驶应用保驾护航。

Source：化合物半导体市场

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