【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。基于硅（Si）的技術日趨接近發展極限，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。相同電氣參數產品，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、高功率太陽能發電場和大型三相電網轉換器等應用。
GaN FET通常為600V，可在10kW及更高范圍內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據吞吐量并減少擁塞。在過去2-3年中，GaN技術取得了快速發展。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），其優異的材料和器件特性使其成為汽車電源系統和射頻器件中更先進應用的理想選擇。其次，EV的電力系統常常在高開關頻率、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功率器件已經出現在小容量、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的一系列移動設備的快速充電器中。根據Yole的分析數據，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，這一特性明顯優于Si MOSFET器件，從而有效減少系統中無源元件的數量并提高功率密度。預計從2022年開始，GaN將以小規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，以增加功率輸送并減少電阻損耗。
GaN和SiC在車載應用中的區隔
GaN和SiC都是寬帶隙材料。雖然這些材料具有優異的性能，但它們的特性、應用和柵極驅動要求各不相同。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細分市場的發展勢頭不斷增強，對于GaN來說，這可能是一個價值數十億美元的市場。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的主逆變器，從而獲得與SiC技術相當的驚人高容量。早期的行業發展表明這個方案是可行的，或許，我們現在可以說，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，如大功率開關穩壓器，較低的電容和較小的R_ON值可以實現非常快的功率傳輸，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，即成本和行駛里程問題。降低成本和提高系統效率比較有效的一種方法是集成動力傳動系統。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，顯著降低了系統的重量和體積。將動力傳動系統集成到緊湊的機械外殼中，可以生產出更實惠、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勢。在牽引逆變器中，GaN功率半導體是牽引逆變器發展的關鍵，與使用傳統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，即節省了系統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96.5%的高效率（圖源：EPC）
結語
電動汽車的技術進步正在穩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量，從而實現更大的續航里程。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，電動汽車的系統開發商正將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受益。傳統的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公司已經開發并通過了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有設計中硅器件的“替代品”，因為這是一項以小空間實現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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