專用于混合動力汽車/電動汽車的高頻穩(wěn)健性汽車類GaN FET

隨著全球?qū)Νh(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的日益重視，混合動力汽車(HEV)和電動汽車(EV)正逐漸成為汽車行業(yè)的主流趨勢。然而，為了滿足消費者對續(xù)航里程、充電時間和性價比的更高要求，汽車制造商面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。其中，提高車載充電器(OBC)的功率密度和效率成為了關(guān)鍵一環(huán)。在此背景下，氮化鎵(GaN)場效應(yīng)晶體管(FET)因其卓越的高頻性能和穩(wěn)健性，在混合動力汽車和電動汽車領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

一、電動汽車車載充電器的發(fā)展與挑戰(zhàn)

電動汽車車載充電器(OBC)作為電動汽車的重要組成部分，其性能直接影響到充電速度和效率。近年來，OBC的功率水平已從最初的3.6kW大幅提升至22kW，甚至更高。然而，這種提升并非沒有代價。一方面，OBC必須安裝在有限的機械外殼內(nèi)，并始終隨車攜帶，以確保不影響車輛的行駛里程;另一方面，隨著功率密度的增加，OBC內(nèi)部的開關(guān)元件如MOSFET和IGBT的功耗也顯著增加，這對散熱設(shè)計和效率優(yōu)化提出了更高要求。

OBC本質(zhì)上是一個開關(guān)模式的電源轉(zhuǎn)換器，其主要由變壓器、電感器、濾波器和電容器等無源器件以及散熱器組成。這些器件構(gòu)成了OBC重量和尺寸的大部分。為了實現(xiàn)更高的功率密度，必須同時增加開關(guān)頻率和效率。然而，硅基電源器件在高頻工作下往往面臨較高的功耗和溫度上升問題，難以滿足這一需求。

二、GaN FET的獨特優(yōu)勢

氮化鎵(GaN)作為一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有比硅更高的擊穿臨界電場和電子遷移率，這使得GaN FET在高頻工作和效率方面表現(xiàn)出色。具體而言，GaN FET的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

低柵極電容：GaN的低柵極電容使得其在硬開關(guān)期間能夠?qū)崿F(xiàn)更快的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而減少了交叉功率損耗。這種特性使得GaN FET在高頻應(yīng)用中具有更低的開關(guān)損耗。

低輸出電容：在軟開關(guān)期間，GaN的低輸出電容可實現(xiàn)快速的漏源轉(zhuǎn)換，特別是在低負(fù)載電流下。這進一步提高了GaN FET的開關(guān)效率。

無體二極管：與硅和碳化硅(SiC)MOSFET不同，GaN晶體管結(jié)構(gòu)中沒有體二極管，因此沒有反向恢復(fù)損耗。這一特性使得圖騰柱無橋功率因數(shù)校正等新型高效架構(gòu)在數(shù)千瓦級別變得可行，從而進一步提高了系統(tǒng)效率。

高功率密度：由于GaN FET的高頻和低損耗特性，可以在不增加散熱面積的情況下實現(xiàn)更高的功率密度。這對于電動汽車來說尤為重要，因為可以減小OBC的體積和重量，從而增加車輛的行駛里程。

三、德州儀器(TI)的650V汽車類GaN FET

德州儀器(TI)推出的650V完全集成式汽車類GaN FET是這一領(lǐng)域的佼佼者。該產(chǎn)品將GaN FET和驅(qū)動器緊密集成在低電感四方扁平無引線(QFN)封裝中，大大降低了寄生柵極回路電感，從而實現(xiàn)了快速開關(guān)和減少損耗。具體來說，該產(chǎn)品的優(yōu)勢包括：

高頻開關(guān)能力：與C2000?實時微控制器中的高級控制功能相結(jié)合，可在功率轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)高于1MHz的開關(guān)頻率。與現(xiàn)有的硅和SiC解決方案相比，其磁體尺寸減小了59%，顯著提高了功率密度。

低開關(guān)損耗：在演示中，大于100V/ns的漏源壓擺率可降低67%的開關(guān)損耗。這種低損耗特性使得TI的GaN FET在高頻應(yīng)用中具有更高的效率。

增強散熱管理：12mm×12mm的頂部冷卻QFN封裝不僅減小了體積，還增強了散熱管理。這對于在高溫環(huán)境下工作的OBC尤為重要。

高可靠性和耐用性：TI GaN器件通過了4000多萬小時的器件可靠性測試，并且10年壽命的故障率小于1%，滿足了汽車制造商對耐用性的嚴(yán)格要求。

四、應(yīng)用前景與未來展望

隨著電動汽車市場的不斷擴大和消費者對性能要求的不斷提高，GaN FET在混合動力汽車和電動汽車中的應(yīng)用前景十分廣闊。除了OBC之外，GaN FET還可以用于電動汽車的牽引逆變器、高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵部件中，進一步提升整車的性能和效率。

未來，隨著技術(shù)的不斷進步和成本的降低，GaN FET有望在電動汽車領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。同時，也需要克服系統(tǒng)級設(shè)計難題，如寄生電感效應(yīng)、柵極過應(yīng)力等問題，以充分發(fā)揮GaN FET的優(yōu)勢。

總之，專用于混合動力汽車/電動汽車的高頻穩(wěn)健性汽車類GaN FET以其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用前景，正逐步成為推動電動汽車行業(yè)發(fā)展的重要力量。隨著技術(shù)的不斷成熟和市場的不斷拓展，GaN FET將在電動汽車領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。