為了解決諸如行駛距離，充電時(shí)間和價(jià)格等消費(fèi)者關(guān)注的問(wèn)題，以加速電動(dòng)汽車(EV)的采用，全球的汽車制造商都要求增加電池容量和更快的充電能力，而尺寸，重量或組件成本卻不能增加。

EV車載充電器(OBC)正在迅速發(fā)展，它使消費(fèi)者可以在家中或公共或商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)通過(guò)交流電源直接為電池充電。增加充電速率的需求使充電功率水平從3.6 kW增加到22 kW，但同時(shí)，OBC必須安裝在現(xiàn)有的車內(nèi)，并始終不會(huì)移動(dòng)，但是前提是不會(huì)影響行駛里程。有人已經(jīng)提出將OBC的功率密度從今天的<2 kW/L增加到> 4 kW / L。

開關(guān)頻率的影響

OBC本質(zhì)上是一個(gè)開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器。諸如變壓器，電感器，濾波器和電容器之類的無(wú)源部件以及散熱器構(gòu)成了其重量和尺寸的主要部分。增加開關(guān)頻率意味著無(wú)源元件更小。但是，較高的開關(guān)頻率會(huì)在諸如功率MOSFET和絕緣柵雙極晶體管等開關(guān)元件中引起較高的功耗。

減小尺寸需要進(jìn)一步降低功率損耗以保持相同的組件溫度，因?yàn)楝F(xiàn)在有較小的表面積可用來(lái)散熱。這種更高的功率密度要求同時(shí)增加開關(guān)頻率和效率。其中存在著挑戰(zhàn)，而基于硅的功率器件很難解決這一挑戰(zhàn)。

提高開關(guān)速度將從根本上減少開關(guān)能量的損失。這是必要的，否則實(shí)際的最大頻率將受到限制。在低電感電路路徑布置中經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的，端子之間具有較低寄生電容的功率器件可提供更好的效率。

寬禁帶超越硅

使用寬禁帶半導(dǎo)體(例如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC))構(gòu)建的功率器件憑借其器件物理特性，可顯著降低電容，以實(shí)現(xiàn)可比的導(dǎo)通電阻和擊穿電壓。更高的擊穿臨界電場(chǎng)(GaN相對(duì)于硅為10倍)和更高的電子遷移率(GaN比硅高33%)有效地實(shí)現(xiàn)了更低的導(dǎo)通電阻和更低的電容。所以GaN和SiC FET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)尤其明顯：

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，從而減少了轉(zhuǎn)換損耗，GaN的柵極電荷因數(shù)為1nC-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(勵(lì)磁)電流的情況下。例如，與25nC-Ω的硅相比，典型的GaN FET的輸出電荷品質(zhì)因數(shù)為5nC-Ω。這使設(shè)計(jì)人員可以使用較小的死區(qū)時(shí)間和低勵(lì)磁電流，這對(duì)于增加頻率和減少循環(huán)功耗是必不可少的。

與硅和SiC功率MOSFET不同，GaN晶體管在其結(jié)構(gòu)中沒有固有的體二極管，因此沒有反向恢復(fù)損耗。這使得像圖騰柱無(wú)橋功率因數(shù)校正這樣的新型高效架構(gòu)可以在數(shù)千瓦時(shí)實(shí)用，而以前是硅器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

所有這些優(yōu)勢(shì)使設(shè)計(jì)人員能夠使用GaN在更高的開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)高效率，如圖1所示。額定650 V的GaN FET能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)10 kW的應(yīng)用，例如服務(wù)器AC / DC電源，EV高壓DC / DC轉(zhuǎn)換器和OBC(并聯(lián)堆疊可達(dá)到22 kW)。SiC器件可提供高達(dá)1.2 kV的電壓，并具有高電流承載能力，非常適合EV牽引逆變器和大型三相電網(wǎng)逆變器。

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)

切換到數(shù)百伏特時(shí)，典型的10 ns上升和下降時(shí)間需要仔細(xì)設(shè)計(jì)，以避免寄生寄生電感效應(yīng)。FET和驅(qū)動(dòng)器之間的共源極和柵極環(huán)路電感扮演著以下關(guān)鍵角色：

公共源極電感會(huì)限制漏極至源極的瞬態(tài)電壓(dV / dt)和瞬態(tài)電流(dI / dt)，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)期間的過(guò)渡時(shí)間。

柵極環(huán)路電感會(huì)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)面影響包括增加對(duì)Miller導(dǎo)通的敏感性，引起額外功率損耗的風(fēng)險(xiǎn)以及引入設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)以最大程度地減小柵極絕緣體電壓過(guò)應(yīng)力，如果不適當(dāng)緩解，則會(huì)降低可靠性。

結(jié)果，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)速度并違背增加頻率的目標(biāo)。盡管GaN和SiC器件本質(zhì)上適用于高頻工作，但想要充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，還需要克服系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。一個(gè)精心設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，兼顧易用性，健壯性和設(shè)計(jì)靈活性，將加速技術(shù)的采用。

具有集成驅(qū)動(dòng)器，保護(hù)，報(bào)告和電源管理的GaN FET

德州儀器(TI)的全集成式650V汽車GaN FET旨在提供GaN的高效、高頻開關(guān)優(yōu)勢(shì)，而不會(huì)帶來(lái)相關(guān)的設(shè)計(jì)和組件選擇缺陷。GaN FET和驅(qū)動(dòng)器緊密集成在低電感四方扁平無(wú)引線(QFN)封裝中，大大降低了寄生柵極環(huán)路電感，消除了對(duì)柵極過(guò)應(yīng)力和寄生Miller導(dǎo)通的擔(dān)憂，同時(shí)共源極電感非常低實(shí)現(xiàn)快速切換，減少損耗。

LMG3522R030-Q1與C2000實(shí)時(shí)微控制器中的高級(jí)控制功能(如TMS320F2838x或TMS320F28004x)相結(jié)合，可在功率轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)高于1 MHz的開關(guān)頻率，與現(xiàn)有的硅和SiC相比，其磁尺寸減小了59%。

Demo的漏極至源極壓擺率> 100 V/ns，與分立FET相比，可將開關(guān)損耗降低67%，而其可調(diào)性在30V/ns至150V/ns之間，可在效率與電磁干擾之間進(jìn)行權(quán)衡，以降低下游產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。集成電流保護(hù)提供了魯棒性，而新功能包括LMG3525R030-Q1提供的用于有源功率管理，健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)和理想二極管模式的數(shù)字脈寬調(diào)制溫度報(bào)告，從而消除了對(duì)自適應(yīng)死區(qū)的需求。封裝還提供頂部封裝選項(xiàng)，這樣更方便進(jìn)行有效散熱。

TI GaN器件具有超過(guò)4000萬(wàn)的器件可靠性小時(shí)，并且10年壽命的故障率低于1，可提供汽車制造商所期望的堅(jiān)固性。TI GaN在廣泛可用的硅襯底上制造，并使用100%內(nèi)部制造設(shè)施中的現(xiàn)有成熟工藝節(jié)點(diǎn)開發(fā)，與基于SiC或藍(lán)寶石襯底的其他技術(shù)不同，它具有確定的供應(yīng)鏈和成本優(yōu)勢(shì)。