【導(dǎo)讀】在電力電子應(yīng)用中，為了滿足更高能效和更高開(kāi)關(guān)頻率的要求，功率密度正在成為關(guān)鍵的指標(biāo)之一?；诠瑁⊿i）的技術(shù)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(dǎo)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(kāi)啟了第三代寬禁帶技術(shù)如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）的應(yīng)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(dǎo)效率的潛力。更重要的是，GaN能夠以高達(dá)1MHz的頻率工作，且效率不會(huì)降低，而硅的工作頻率則很難達(dá)到100kHz以上。因此，憑借極高的功率轉(zhuǎn)換效率，在生產(chǎn)高效率電壓轉(zhuǎn)換器、功率MOSFET和肖特基二極管時(shí)，GaN幾乎可以成為硅的替代品。
在應(yīng)用上，SiC主要運(yùn)用在高壓環(huán)境，GaN則集中在中低壓的領(lǐng)域。其中，SiC器件能提供高達(dá)1,200V的電壓等級(jí)，并具備高載流能力，非常適合汽車和機(jī)車牽引逆變器、高功率太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)和大型三相電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器等應(yīng)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(zhuǎn)換器，最初采用GaN技術(shù)并增長(zhǎng)的主要應(yīng)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(shù)的進(jìn)步以及成本的優(yōu)化，GaN的應(yīng)用范圍得到了極大拓展，在電動(dòng)汽車（EV）中的應(yīng)用也不再限于車載充電器，在直流/直流轉(zhuǎn)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(dòng)汽車能否成為GaN應(yīng)用的未來(lái)？
此前，GaN的關(guān)鍵應(yīng)用主要是在5G基站和智能手機(jī)中，人們利用GaN器件提供射頻信號(hào)和天線之間的最后一級(jí)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(guò)去2-3年中，GaN技術(shù)取得了快速發(fā)展。如果將GaN FET用于汽車中，可讓電動(dòng)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(gè)問(wèn)題要從兩方面來(lái)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(jìn)應(yīng)用的理想選擇。其次，EV的電力系統(tǒng)常常在高開(kāi)關(guān)頻率、高輸出電流和高電壓下運(yùn)行，GaN所具備的出色的高頻特性在這里正好派上用場(chǎng)。
具體來(lái)看，GaN FET在射頻和汽車電力電子領(lǐng)域擁有的優(yōu)勢(shì)主要源于以下材料特性：
擊穿電場(chǎng)
GaN具有比Si更高的擊穿電場(chǎng)（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(dǎo)通電阻的Si晶體管。
熱導(dǎo)率
GaN的熱導(dǎo)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(dāng)兩個(gè)器件的物理尺寸大致相同時(shí)，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(lái)越多地用于包括智能手機(jī)在內(nèi)的一系列移動(dòng)設(shè)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(yù)計(jì)在2021將達(dá)到約1億美元。但隨著GaN器件供應(yīng)商尋求進(jìn)入其他市場(chǎng)，到2026年，這一數(shù)字將增至10億美元。其中，EV/HEV市場(chǎng)是一個(gè)頗受關(guān)注的市場(chǎng)。
圖1：功率GaN器件市場(chǎng)分析及預(yù)測(cè)
（圖源：Yole）
Yole的技術(shù)和市場(chǎng)分析師們認(rèn)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(wú)源元件的數(shù)量并提高功率密度。預(yù)計(jì)從2022年開(kāi)始，GaN將以小規(guī)模滲透至新能源汽車市場(chǎng)，其中的主要滲透目標(biāo)是48V至12V DC/DC轉(zhuǎn)換器，即標(biāo)準(zhǔn)化輕度混合動(dòng)力電動(dòng)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(yīng)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(yīng)用和柵極驅(qū)動(dòng)要求各不相同。目前來(lái)看，在更高功率和更高電壓的應(yīng)用中（1,200V以上），尤其是在逆變器級(jí)，SiC更受青睞。SiC可以在大功率和超高壓（650V以上）應(yīng)用中與IGBT晶體管競(jìng)爭(zhēng)。
同樣，GaN最初的利基市場(chǎng)來(lái)自車載充電器（OBC），在該市場(chǎng)中，GaN處于非常有利的地位。在電壓高達(dá)650V的電力應(yīng)用中，GaN可以與電流MOSFET和超結(jié)（SJ）MOSFET競(jìng)爭(zhēng)。隨著車載充電器和DC/DC細(xì)分市場(chǎng)的發(fā)展勢(shì)頭不斷增強(qiáng)，對(duì)于GaN來(lái)說(shuō)，這可能是一個(gè)價(jià)值數(shù)十億美元的市場(chǎng)。不過(guò)，關(guān)鍵的問(wèn)題是：這項(xiàng)技術(shù)是否能夠應(yīng)用于電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的主逆變器，從而獲得與SiC技術(shù)相當(dāng)?shù)捏@人高容量。早期的行業(yè)發(fā)展表明這個(gè)方案是可行的，或許，我們現(xiàn)在可以說(shuō)，繼5G應(yīng)用之后，新能源汽車將成為GaN的另一殺手級(jí)應(yīng)用。
汽車應(yīng)用中GaN FET的選型
市場(chǎng)上有兩種常見(jiàn)的GaN FET，分別生長(zhǎng)在Si上的和生長(zhǎng)在SiC上。SiC的熱導(dǎo)率約為GaN的170%，因此在高功率應(yīng)用中，通過(guò)在SiC上異質(zhì)外延生長(zhǎng)GaN形成的GaN FET是首選。對(duì)于開(kāi)關(guān)應(yīng)用，如大功率開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，較低的電容和較小的R_ON值可以實(shí)現(xiàn)非?？斓墓β蕚鬏?，上升時(shí)間約為納秒。這些特性意味著GaN FET可以同時(shí)在高頻和更高功率下運(yùn)行，這兩者都是射頻和汽車應(yīng)用的電力電子所需要的。
市場(chǎng)上的GaN FET有許多型號(hào)，在為電動(dòng)汽車選擇GaN FET時(shí)我們要充分考慮電動(dòng)汽車的特性和應(yīng)用場(chǎng)景。
當(dāng)前，電動(dòng)汽車的推廣面臨著兩大挑戰(zhàn)，即成本和行駛里程問(wèn)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。集成包括細(xì)致的設(shè)計(jì)和對(duì)安全概念和潛在交互的透徹理解。集成還減少了對(duì)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(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)集成到緊湊的機(jī)械外殼中，可以生產(chǎn)出更實(shí)惠、更高效的電動(dòng)汽車。憑借其低開(kāi)關(guān)功率損耗，GaN FET可以勝任這個(gè)工作。
對(duì)于EV動(dòng)力系統(tǒng)而言，GaN FET解決方案將使功率密度加倍，同時(shí)通過(guò)集成柵極驅(qū)動(dòng)器將尺寸減小約60%，開(kāi)關(guān)速度高達(dá)2.2MHz。因此，GaN FET非常適合于交流/直流車載充電器（OBC）和電動(dòng)汽車中的高壓到低壓（HV到LV）DC/DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器中，需要從車輛蓄電池進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換（例如400V到12V或48V到12V），而GaN FET擁有很強(qiáng)的尺寸和效率優(yōu)勢(shì)。在牽引逆變器中，GaN功率半導(dǎo)體是牽引逆變器發(fā)展的關(guān)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(zhǎng)。
Nexperia的GAN063-650WSA 650V、50mΩ氮化鎵FET是一款常關(guān)型器件，結(jié)合了Nexperia的最新高壓GaN HEMT和低壓Si MOSFET技術(shù)。該器件的柵極電壓高達(dá)20V，快速開(kāi)啟時(shí)間為57ns（10ns輸出上升時(shí)間），峰值直流漏源電壓達(dá)到650V。僅在10V柵極電壓下，該場(chǎng)效應(yīng)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(dǎo)通電阻僅為50mΩ，175°C時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，非常適合用于無(wú)橋推拉輸出電路PFC、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換器演示板，該板采用8個(gè)100V的EPC2218 eGaN FET，可在非常小的占板面積上實(shí)現(xiàn)96.5%的效率。eGaN FET的快速開(kāi)關(guān)和低損耗特性使得轉(zhuǎn)換器能夠在500kHz下工作，從而顯著縮小解決方案的尺寸。高開(kāi)關(guān)頻率能力允許設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器的速度提高了三倍、體積和重量減少了超過(guò)35%、效率提高了超過(guò)1.5%，而且總體系統(tǒng)成本更低。
圖3：EPC9163 48V/12V雙向轉(zhuǎn)換器中采用了8個(gè)100V的EPC2218 eGaN FET，可在非常小的占板面積中實(shí)現(xiàn)96.5%的高效率（圖源：EPC）
結(jié)語(yǔ)
電動(dòng)汽車的技術(shù)進(jìn)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(jī)、逆變器和車載充電器的結(jié)合有助于減少車輛質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)更大的續(xù)航里程。GaN FET在電動(dòng)汽車牽引逆變器、車載充電器（OBC）和DC/DC轉(zhuǎn)換器中具有更高的效率和功率密度。出于這個(gè)原因，電動(dòng)汽車的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商正將GaN納入更大的關(guān)注范圍。接下來(lái)，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(duì)更快、更高效電路的日益增長(zhǎng)的需求。
GaN是一種快速成熟的技術(shù)。它允許采用新的設(shè)計(jì)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(dòng)汽車和混合動(dòng)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(shuō)電動(dòng)汽車是GaN的未來(lái)有些為時(shí)過(guò)早。不過(guò)，我們能夠看到的事實(shí)是，許多功率GaN公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)并通過(guò)了650V GaN設(shè)備的汽車認(rèn)證，主要用于車載充電器和電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車中的DC/DC轉(zhuǎn)換，并且與部分汽車企業(yè)建立了合作伙伴關(guān)系。從一些與車輛相關(guān)的應(yīng)用示例中可以看出，這些應(yīng)用會(huì)使汽車從GaN中受益。
不過(guò)，在任何情況下，GaN器件都不應(yīng)被看作是現(xiàn)有設(shè)計(jì)中硅器件的“替代品”，因?yàn)檫@是一項(xiàng)以小空間實(shí)現(xiàn)高性能和高效率的新的設(shè)計(jì)方法，GaN器件為新能源汽車帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的。
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