車載 GaN FET 可實現(xiàn) HEVEV 的高頻和穩(wěn)健性設(shè)計

1.前言

為了解決消費者對電動汽車 (EV) 普及的里程、充電時間和價格等問題，世界各地的汽車制造商都在增加電池容量而不增加尺寸、重量或組件成本。我正在尋找一種加快速度的方法充電。

電動汽車車載充電器 (OBC) 允許直接從家用交流電源插座和公共或商業(yè)電源為電池充電，正在經(jīng)歷快速變化。雖然由于充電速度的需要，功率水平從3.6kW上升到22kW，但OBC需要安裝在現(xiàn)有的機械外殼中，這樣即使一直安裝在車上也不影響行駛里程。我有. 此外，還有將OBC的功率密度從目前的不足2kW/L提高到4kW/L以上的舉措。

2.開關(guān)頻率的影響

OBC 基本上是一個開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器。它的大部分重量和尺寸由無源元件組成，例如變壓器、電感器、濾波器和電容器以及散熱器。增加開關(guān)頻率意味著減小無源元件的尺寸。但是，開關(guān)頻率越高，功率 MOSFET 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 等開關(guān)元件的功耗就越高。

在減小尺寸時，需要進一步降低功率損耗，并使零件保持在相同的溫度。這是因為尺寸越小，可用于散熱的表面積就越小。這種高功率密度需要同時提高開關(guān)頻率和效率。使用基于硅的功率器件很難實現(xiàn)這一挑戰(zhàn)。

提高開關(guān)速度（器件端子之間電壓和電流變化的速度）從本質(zhì)上減少了開關(guān)過程中的能量損失。這是必要條件，否則會限制最大實用頻率。具有較低端子間寄生電容、精心設(shè)計的低電感電路路徑配置的功率器件是未來所追求的。

3.與硅器件相比的優(yōu)勢

使用氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等寬帶隙半導(dǎo)體制造的功率器件，由于它們的物理特性，在保持可比的導(dǎo)通電阻和擊穿電壓的同時，實現(xiàn)了低容量。更高的擊穿臨界電場（GaN 比硅高 10 倍）和更高的電子遷移率（GaN 比硅高 33% 或更多）有效地平衡了較低的導(dǎo)通電阻和較低的電容。因此，與硅相比，GaN 和 SiC FET 可以以更高的開關(guān)速度運行，而損耗基本上更低。

氮化鎵的優(yōu)勢

· GaN 的低柵極電容可加快硬開關(guān)期間的導(dǎo)通和關(guān)斷速度，并降低交叉功率損耗。GaN 的柵極電荷性能指數(shù)為 1nC-Ω。

· GaN 的低輸出電容加速了軟開關(guān)期間的漏源轉(zhuǎn)換（尤其是在負載（磁化）電流低時）。例如，標準 GaN FET 的輸出電荷性能指數(shù)為 5nC-Ω（硅為 25nC-Ω）。這是提高頻率和減少循環(huán)功率損耗所必需的，這使設(shè)計人員可以使用更短的死區(qū)時間和更低的磁化電流。

· 與硅和 SiC 功率 MOSFET 不同，GaN 晶體管在結(jié)構(gòu)中基本上沒有體二極管，因此沒有反向恢復(fù)損耗。這使得新的高效架構(gòu)（例如圖騰柱無橋功率因數(shù)校正）能夠以傳統(tǒng)硅器件無法實現(xiàn)的幾千瓦級別投入實際使用。

所有這些優(yōu)勢使 GaN 能夠在更高的開關(guān)頻率下實現(xiàn)高效率，如圖 1 所示。額定 650V GaN FET 支持高達 10kW（并行堆疊時高達 22kW）的應(yīng)用，包括用于服務(wù)器的 AC/DC 電源、用于 EV 和 OBC 的高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。具有高電流傳輸能力的高達 1.2 kV 的 SiC 器件適用于電動汽車牽引逆變器和大型三相電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。

圖1 : GaN在實現(xiàn)超高頻應(yīng)用方面超越了所有技術(shù)

4.高頻設(shè)計挑戰(zhàn)

切換數(shù)百伏電壓時的標準上升和下降時間為 10 ns，需要仔細設(shè)計以避免寄生雜散電感的影響。FET 和驅(qū)動器之間的公共源極和柵極環(huán)路電感起著重要作用，包括：

· 共源電感限制了漏源瞬態(tài)電壓（dV / dt）和瞬態(tài)電流（dI / dt），導(dǎo)致開關(guān)速度變慢，硬開關(guān)時重疊損耗，軟開關(guān)時間過渡時間增加。

· 柵極環(huán)路電感限制了柵極電流的 dI/dt，這會減慢開關(guān)速度并增加硬開關(guān)時的重疊損耗。其他不利影響包括降低鏡像導(dǎo)通電阻、額外功率損耗的風(fēng)險，以及最小化柵極隔離器中的電壓過應(yīng)力（適當?shù)兀┑脑O(shè)計挑戰(zhàn)。如果不降低，可靠性將下降。

因此，工程師傾向于依賴鐵氧體磁珠和阻尼電阻器，這會降低開關(guān)速度并無法實現(xiàn)提高頻率的目標。雖然 GaN 和 SiC 器件本質(zhì)上適合高頻操作，但必須克服系統(tǒng)級設(shè)計挑戰(zhàn)才能充分利用它們。以易用性、穩(wěn)健性和設(shè)計靈活性為出發(fā)點的明智設(shè)計產(chǎn)品可以加速技術(shù)采用。

5.具有集成驅(qū)動器、保護、報告和電源管理的GaN FET

德州儀器 (TI) 的全集成 650V 汽車 GaN FET 旨在提供 GaN 的高效率、高頻開關(guān)優(yōu)勢，而沒有設(shè)計或組件選擇缺陷。將 GaN FET 和驅(qū)動器緊密集成到低電感 QFN（四方扁平無引線）封裝中，顯著降低了寄生柵極環(huán)路電感，從而導(dǎo)致柵極過應(yīng)力和寄生鏡像導(dǎo)通問題。不僅消除了它，而且非常低的常見源電感允許快速切換并減少損耗。

“LMG3522R030-Q1”與C2000?實時微機的先進控制功能相結(jié)合，在電源轉(zhuǎn)換器中實現(xiàn)了超過1MHz的開關(guān)頻率，現(xiàn)有的硅和與解決方案相比，SiC 磁性元件的尺寸減小了 59%。

與分立式 FET 相比，100V/ns 以上的域源壓擺率降低了 67% 的開關(guān)損耗，而 30V/ns 至 150V/ns 的調(diào)諧范圍在效率和電磁干擾之間進行權(quán)衡。它可以處理和設(shè)計下游產(chǎn)品風(fēng)險降低。內(nèi)置電流保護增加了穩(wěn)健性，同時增加了各種新功能。除了用于有源電源管理和退化狀態(tài)監(jiān)控的數(shù)字脈寬調(diào)制溫度報告之外，LMG3525R030-Q1 提供的理想二極管模式消除了對自適應(yīng)死區(qū)時間控制的需要。此外，12mm x 12mm 頂部冷卻 QFN 封裝增強了熱管理。