全球汽車制造商致力于通過解決消費(fèi)者對(duì)行駛里程、充電時(shí)間和可負(fù)擔(dān)性等主要問題來(lái)加速電動(dòng)汽車的采用，因此要求增加電池容量和更快的充電能力，而尺寸、重量或組件成本幾乎沒有增加。

電動(dòng)汽車（EV）車載充電器（OBC）允許消費(fèi)者直接從家中的交流電源或公共或商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)為電池充電，該充電器正在經(jīng)歷快速變化。提高充電速率的需求導(dǎo)致功率水平從3.6 kW增加到22 kW，但與此同時(shí)，OBC必須安裝在現(xiàn)有的機(jī)械外殼內(nèi)，并始終由汽車攜帶，而不會(huì)影響行駛里程。最后，有一個(gè)運(yùn)動(dòng)是將OBC功率密度從4 kW / L提高到4 kW/ L。

開關(guān)頻率的影響

OBC本質(zhì)上是一個(gè)開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器。變壓器、電感器、濾波器和電容器等無(wú)源元件以及散熱器構(gòu)成了其重量和尺寸的大部分。增加開關(guān)頻率意味著更小的無(wú)源元件。然而，較高的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致功率金屬氧化物半導(dǎo)體（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管等開關(guān)元件的功率耗散增加。

減小尺寸需要進(jìn)一步降低功率損耗以保持相同的元件溫度，因?yàn)楝F(xiàn)在可用于提取熱量的表面積更小。這種較高的功率密度要求同時(shí)提高開關(guān)頻率和效率。這就是硅基功率器件難以應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)。

提高開關(guān)速度（器件端子之間電壓和電流的變化速度）將從根本上降低開關(guān)能量損耗。這是必要的，否則實(shí)際的最大頻率是有限的。其端子之間具有較低寄生電容的功率器件（在低電感電路路徑布置中經(jīng)過精心設(shè)計(jì)）可提供正向路徑。

超越硅

使用寬帶隙半導(dǎo)體（如氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC））構(gòu)建的功率器件憑借其器件物理特性，可提供顯著降低的電容，從而實(shí)現(xiàn)可比的導(dǎo)通電阻和擊穿電壓。較高的擊穿臨界電場(chǎng)（GaN與硅的10倍）和較高的電子遷移率（GaN與硅的》33%）有效地同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較低的導(dǎo)通電阻和較低的電容。因此，GaN和SiC FET本身就能夠以比硅更低的損耗在更高的開關(guān)速度下工作。

GaN的優(yōu)勢(shì)尤其引人注目：

GaN的低柵極電容可在硬開關(guān)期間實(shí)現(xiàn)更快的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而降低交越功率損耗。GaN的柵極電荷品質(zhì)因數(shù)為1 nC-Ω。

GaN的低輸出電容可在軟開關(guān)期間實(shí)現(xiàn)快速的漏源轉(zhuǎn)換，特別是在低負(fù)載（磁化）電流下。例如，典型的GaN FET的輸出電荷品質(zhì)因數(shù)為5 nC-Ω而硅在25 nC-Ω。這使得設(shè)計(jì)人員能夠使用小死區(qū)時(shí)間和低磁化電流，這對(duì)于提高頻率和減少循環(huán)功率損耗是必要的。

與硅和SiC功率MOSFET不同，GaN晶體管的結(jié)構(gòu)中沒有固有的體二極管，因此沒有反向恢復(fù)損耗。這使得新的高效架構(gòu)（如圖騰柱無(wú)橋功率因數(shù)校正）在數(shù)千瓦時(shí)非常實(shí)用，這在以前是硅器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

所有這些優(yōu)勢(shì)使設(shè)計(jì)人員能夠利用GaN在更高的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)高效率，如圖1所示。GaN FET 的額定電壓為 650 V，適用于高達(dá) 10 kW 的應(yīng)用，如服務(wù)器 AC/DC 電源、EV 高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 OBC（并聯(lián)堆疊達(dá)到 22 kW）。碳化硅器件可提供高達(dá)1.2 kV的高載流能力，非常適合EV牽引逆變器和大型三相電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。

圖 1.GaN在實(shí)現(xiàn)超高頻應(yīng)用方面超越了所有技術(shù)。

高頻設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

開關(guān)幾百伏時(shí)，典型的10 ns上升和下降時(shí)間需要仔細(xì)設(shè)計(jì)，以避免寄生雜散電感效應(yīng)。FET和驅(qū)動(dòng)器之間的共源和柵極環(huán)路電感起著以下關(guān)鍵作用：

公共源電感可限制漏極至源極瞬態(tài)電壓 （dV/dt） 和瞬態(tài)電流 （dI/dt），從而降低開關(guān)速度，并增加硬開關(guān)期間的重疊損耗和軟開關(guān)期間的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

柵極環(huán)路電感可限制柵極電流 dI/dt，從而降低開關(guān)速度并增加硬開關(guān)期間的重疊損耗。其他負(fù)面影響包括增加米勒導(dǎo)通的敏感性，導(dǎo)致額外功率損耗的風(fēng)險(xiǎn)，以及引入設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)以最小化柵極絕緣體電壓過應(yīng)力，如果緩解不當(dāng)，則會(huì)降低可靠性。

因此，工程師可能需要求助于鐵氧體磁珠和阻尼電阻器，但這些會(huì)降低開關(guān)速度，并且與提高頻率的目標(biāo)背道而馳。雖然GaN和SiC器件本質(zhì)上可以適應(yīng)高頻操作，但獲得其全部?jī)?yōu)勢(shì)仍然意味著克服系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。一款設(shè)計(jì)巧妙的產(chǎn)品，考慮到易用性，穩(wěn)健性和設(shè)計(jì)靈活性，將加速技術(shù)采用。

來(lái)自TI的氮化炛場(chǎng)效應(yīng)管

德州儀器 （TI） 的完全集成的 650V 汽車 GaN FET 旨在提供 GaN 的高效率、高頻開關(guān)優(yōu)勢(shì)，而沒有相關(guān)的設(shè)計(jì)和元件選擇缺陷。在低電感四通道扁平無(wú)引線 （QFN） 封裝中將 GaN FET 和驅(qū)動(dòng)器緊密集成在一起，可顯著降低寄生柵極環(huán)路電感，消除對(duì)柵極過應(yīng)力和寄生米勒導(dǎo)通的擔(dān)憂，而極低的共源電感可實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)并降低損耗。

LMG3522R030-Q1 與 C2000? 實(shí)時(shí)微控制器（如 TMS320F2838x 或 TMS320F28004x）中的高級(jí)控制功能相結(jié)合，可在電源轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)大于 1 MHz 的開關(guān)頻率，與現(xiàn)有的硅和 SiC 解決方案相比，磁性元件尺寸減小了 59%。

經(jīng)過驗(yàn)證的漏源壓擺率為》100 V/ns，與分立式FET相比，開關(guān)損耗降低了67%，而其在30 V/ns至150 V/ns之間的可調(diào)節(jié)性可以在效率和電磁干擾之間進(jìn)行權(quán)衡，從而降低下游產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。集成的電流保護(hù)功能提供穩(wěn)健性，而新增的功能包括用于有源電源管理的數(shù)字脈寬調(diào)制溫度報(bào)告、健康狀態(tài)監(jiān)控和理想二極管模式，如 LMG3525R030-Q1 中提供的那樣，無(wú)需自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制。12 mm x 12 mm 頂部冷卻 QFN 封裝還支持增強(qiáng)的熱管理。

TI GaN 器件具有超過 4000 萬(wàn)小時(shí)的器件可靠性，10 年使用壽命《1 的故障及時(shí)率，可提供汽車制造商所期望的耐用性。TI GaN 在廣泛可用的硅襯底上制造，并在 100% 內(nèi)部制造設(shè)施中使用現(xiàn)有工藝節(jié)點(diǎn)，與基于 SiC 或藍(lán)寶石襯底構(gòu)建的其他技術(shù)不同，TI GaN 具有明確的供應(yīng)鏈和成本優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：彭靜