【導讀】在電力電子應用中，為了滿足更高能效和更高開關頻率的要求，功率密度正在成為關鍵的指標之一?；诠瑁⊿i）的技術日趨接近發(fā)展極限，高頻性能和能量密度不斷下降，功率半導體材料也在從第一代的硅基材料發(fā)展到第二代的砷化鎵后，正式開啟了第三代寬禁帶技術如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的應用之門。
SiC的耐高壓能力是硅的10倍，耐高溫能力是硅的2倍，高頻能力是硅的2倍。相同電氣參數(shù)產(chǎn)品，采用SiC材料可縮小體積50%，降低能量損耗80%。同樣，GaN也有著許多出色的性能，它的帶隙為3.2eV，幾乎比硅的1.1eV帶隙高3倍，使其擁有比硅高1,000倍的電子傳導效率的潛力。更重要的是，GaN能夠以高達1MHz的頻率工作，且效率不會降低，而硅的工作頻率則很難達到100kHz以上。因此，憑借極高的功率轉換效率，在生產(chǎn)高效率電壓轉換器、功率MOSFET和肖特基二極管時，GaN幾乎可以成為硅的替代品。
在應用上，SiC主要運用在高壓環(huán)境，GaN則集中在中低壓的領域。其中，SiC器件能提供高達1,200V的電壓等級，并具備高載流能力，非常適合汽車和機車牽引逆變器、高功率太陽能發(fā)電場和大型三相電網(wǎng)轉換器等應用。
GaN FET通常為600V，可在10kW及更高范圍內(nèi)作為高功率密度轉換器，最初采用GaN技術并增長的主要應用是低功率快速充電USB PD電源適配器和游戲類筆記本電腦高功率適配器等。隨著技術的進步以及成本的優(yōu)化，GaN的應用范圍得到了極大拓展，在電動汽車（EV）中的應用也不再限于車載充電器，在直流/直流轉換器、牽引逆變器中，基于GaN的解決方案正在規(guī)模性推廣中。
電動汽車能否成為GaN應用的未來？
此前，GaN的關鍵應用主要是在5G基站和智能手機中，人們利用GaN器件提供射頻信號和天線之間的最后一級功率放大。由于其效率高、功率密度大、占地面積小，GaN器件能有效提高基站的數(shù)據(jù)吞吐量并減少擁塞。在過去2-3年中，GaN技術取得了快速發(fā)展。如果將GaN FET用于汽車中，可讓電動汽車（EV）汽車變得更輕、更節(jié)能。
為什么要在EV中使用GaN FET？這個問題要從兩方面來講。首先，GaN FET是一種高電子遷移率晶體管（HEMT），其優(yōu)異的材料和器件特性使其成為汽車電源系統(tǒng)和射頻器件中更先進應用的理想選擇。其次，EV的電力系統(tǒng)常常在高開關頻率、高輸出電流和高電壓下運行，GaN所具備的出色的高頻特性在這里正好派上用場。
具體來看，GaN FET在射頻和汽車電力電子領域擁有的優(yōu)勢主要源于以下材料特性：
擊穿電場
GaN具有比Si更高的擊穿電場（大約是Si的15倍），因此GaN器件可以在比相同尺寸的Si MOSFET更高的電壓下工作。
電子遷移率
GaN的電子遷移率高于Si，因此GaN晶體管在物理上可以小于具有相同導通電阻的Si晶體管。
熱導率
GaN的熱導率約為Si的2倍，因此它可以更有效地將熱量耗散到基板或散熱器中。
電容
當兩個器件的物理尺寸大致相同時，GaN FET上輸入端之間的電容小于Si MOSFET中的電容。
如今，GaN功率器件已經(jīng)出現(xiàn)在小容量、高端光伏逆變器中，并且越來越多地用于包括智能手機在內(nèi)的一系列移動設備的快速充電器中。根據(jù)Yole的分析數(shù)據(jù)，GaN功率器件的收入預計在2021將達到約1億美元。但隨著GaN器件供應商尋求進入其他市場，到2026年，這一數(shù)字將增至10億美元。其中，EV/HEV市場是一個頗受關注的市場。
圖1：功率GaN器件市場分析及預測
（圖源：Yole）
Yole的技術和市場分析師們認為，GaN可以在更高的頻率下以更高的效率工作，這一特性明顯優(yōu)于Si MOSFET器件，從而有效減少系統(tǒng)中無源元件的數(shù)量并提高功率密度。預計從2022年開始，GaN將以小規(guī)模滲透至新能源汽車市場，其中的主要滲透目標是48V至12V DC/DC轉換器，即標準化輕度混合動力電動汽車（MHEV）中的48V系統(tǒng)，以增加功率輸送并減少電阻損耗。
GaN和SiC在車載應用中的區(qū)隔
GaN和SiC都是寬帶隙材料。雖然這些材料具有優(yōu)異的性能，但它們的特性、應用和柵極驅(qū)動要求各不相同。目前來看，在更高功率和更高電壓的應用中（1,200V以上），尤其是在逆變器級，SiC更受青睞。SiC可以在大功率和超高壓（650V以上）應用中與IGBT晶體管競爭。
同樣，GaN最初的利基市場來自車載充電器（OBC），在該市場中，GaN處于非常有利的地位。在電壓高達650V的電力應用中，GaN可以與電流MOSFET和超結（SJ）MOSFET競爭。隨著車載充電器和DC/DC細分市場的發(fā)展勢頭不斷增強，對于GaN來說，這可能是一個價值數(shù)十億美元的市場。不過，關鍵的問題是：這項技術是否能夠應用于電動汽車動力系統(tǒng)的主逆變器，從而獲得與SiC技術相當?shù)捏@人高容量。早期的行業(yè)發(fā)展表明這個方案是可行的，或許，我們現(xiàn)在可以說，繼5G應用之后，新能源汽車將成為GaN的另一殺手級應用。
汽車應用中GaN FET的選型
市場上有兩種常見的GaN FET，分別生長在Si上的和生長在SiC上。SiC的熱導率約為GaN的170%，因此在高功率應用中，通過在SiC上異質(zhì)外延生長GaN形成的GaN FET是首選。對于開關應用，如大功率開關穩(wěn)壓器，較低的電容和較小的R_ON值可以實現(xiàn)非?？斓墓β蕚鬏?，上升時間約為納秒。這些特性意味著GaN FET可以同時在高頻和更高功率下運行，這兩者都是射頻和汽車應用的電力電子所需要的。
市場上的GaN FET有許多型號，在為電動汽車選擇GaN FET時我們要充分考慮電動汽車的特性和應用場景。
當前，電動汽車的推廣面臨著兩大挑戰(zhàn)，即成本和行駛里程問題。降低成本和提高系統(tǒng)效率比較有效的一種方法是集成動力傳動系統(tǒng)。集成包括細致的設計和對安全概念和潛在交互的透徹理解。集成還減少了對多余包裝材料的需求，消除了冗余硬件，顯著降低了系統(tǒng)的重量和體積。將動力傳動系統(tǒng)集成到緊湊的機械外殼中，可以生產(chǎn)出更實惠、更高效的電動汽車。憑借其低開關功率損耗，GaN FET可以勝任這個工作。
對于EV動力系統(tǒng)而言，GaN FET解決方案將使功率密度加倍，同時通過集成柵極驅(qū)動器將尺寸減小約60%，開關速度高達2.2MHz。因此，GaN FET非常適合于交流/直流車載充電器（OBC）和電動汽車中的高壓到低壓（HV到LV）DC/DC轉換器。在車載充電器方案中，GaN FET有助于提高空間效率，為其他車載組件與OBC集成騰出空間。在DC/DC轉換器中，需要從車輛蓄電池進行電源轉換（例如400V到12V或48V到12V），而GaN FET擁有很強的尺寸和效率優(yōu)勢。在牽引逆變器中，GaN功率半導體是牽引逆變器發(fā)展的關鍵，與使用傳統(tǒng)IGBT的逆變器相比，牽引逆變器能夠提供70%以上的功率增長。
Nexperia的GAN063-650WSA 650V、50mΩ氮化鎵FET是一款常關型器件，結合了Nexperia的最新高壓GaN HEMT和低壓Si MOSFET技術。該器件的柵極電壓高達20V，快速開啟時間為57ns（10ns輸出上升時間），峰值直流漏源電壓達到650V。僅在10V柵極電壓下，該場效應管提供34.5A直流電，峰值瞬態(tài)電流為150A，快速脈沖小于10μs。室溫下導通電阻僅為50mΩ，175°C時僅上升至120mΩ。GAN063-650WSA 650V、50mΩ氮化鎵FET具有卓越的可靠性和性能，符合AEC-Q101標準，非常適合用于無橋推拉輸出電路PFC、伺服電機驅(qū)動器和UPS逆變器。
圖2：GAN063-650WSA 650V、50mΩ氮化鎵FET
（圖源：Nexperia）
EPC公司的EPC9163是一款2kW、兩相的48V/12V雙向轉換器演示板，該板采用8個100V的EPC2218 eGaN FET，可在非常小的占板面積上實現(xiàn)96.5%的效率。eGaN FET的快速開關和低損耗特性使得轉換器能夠在500kHz下工作，從而顯著縮小解決方案的尺寸。高開關頻率能力允許設計中使用微型電感器，即節(jié)省了系統(tǒng)的空間還降低了成本。與Si MOSFET解決方案相比，基于eGaN FET的DC-DC轉換器的速度提高了三倍、體積和重量減少了超過35%、效率提高了超過1.5%，而且總體系統(tǒng)成本更低。
圖3：EPC9163 48V/12V雙向轉換器中采用了8個100V的EPC2218 eGaN FET，可在非常小的占板面積中實現(xiàn)96.5%的高效率（圖源：EPC）
結語
電動汽車的技術進步正在穩(wěn)步降低車輛的材料成本，功率密度更高的電池和效率更高的電機、逆變器和車載充電器的結合有助于減少車輛質(zhì)量，從而實現(xiàn)更大的續(xù)航里程。GaN FET在電動汽車牽引逆變器、車載充電器（OBC）和DC/DC轉換器中具有更高的效率和功率密度。出于這個原因，電動汽車的系統(tǒng)開發(fā)商正將GaN納入更大的關注范圍。接下來，GaN有可能取代硅成為汽車電子芯片的核心，以滿足高功率環(huán)境中對更快、更高效電路的日益增長的需求。
GaN是一種快速成熟的技術。它允許采用新的設計方法，使車輛上的許多電力電子系統(tǒng)受益。傳統(tǒng)的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）目前是電動汽車和混合動力汽車功率控制的主力軍，而與目前使用IGBT的逆變器相比，基于GaN的逆變器效率可提高70%以上。
也許現(xiàn)在就下斷言說電動汽車是GaN的未來有些為時過早。不過，我們能夠看到的事實是，許多功率GaN公司已經(jīng)開發(fā)并通過了650V GaN設備的汽車認證，主要用于車載充電器和電動汽車/混合動力汽車中的DC/DC轉換，并且與部分汽車企業(yè)建立了合作伙伴關系。從一些與車輛相關的應用示例中可以看出，這些應用會使汽車從GaN中受益。
不過，在任何情況下，GaN器件都不應被看作是現(xiàn)有設計中硅器件的“替代品”，因為這是一項以小空間實現(xiàn)高性能和高效率的新的設計方法，GaN器件為新能源汽車帶來的好處是顯而易見的。
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