如何采用氮化镓或GaN实现车辆电气化

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

汽车行业正经历着从内燃机（ICE）到全电动未来的巨变。VisIC Technologies的功率晶体管使行业能够扩展电动汽车的范围并同时降低成本。我们目睹的变化正在使我们迈向由宽带隙材料支持的全电动汽车生态系统。电力电子行业已经达到了硅MOSFET的理论极限，现在需要转移到一个新的领域。氮化镓或GaN是一种高度移动的电子半导体，被证明在满足新应用方面具有真正的附加值。

电动汽车

电动汽车的关键要素是电动机，电池和控制电流传输的所有动力总成系统。逆变器的效率会影响驱动电机的电池寿命。VisIC Technologies提供D3GaN（直接驱动耗尽型GaN）产品，可用于创建高效的逆变器，既可以作为离散产品，也可以集成到模​​块封装中。

如今，由于期望更好的充电基础设施，对汽车中的车载充电器的需求非常重要。目的是最小化OBC和所需冷却系统的成本，尺寸和重量。这种趋势与GaN技术的优势非常吻合，因为它可以以低损耗快速切换，从而降低了冷却解决方案的成本。

VisIC Technologies Ltd.产品经理兼技术销售部的Elijah Bunin说：“ GaN具有一个优势，它可以在很高的频率下以低损耗运行。”他补充说：“因此，板载充电器非常适合此用途另一方面，氮化镓的生产成本低于碳化硅。并且这允许在需要大量半导体的逆变器应用中受益。GaN和碳化硅在逆变器方面都比现有的IGBT技术更具优势。因此，当前，我们和其他半导体公司都在研究增加GaN器件的额定电压的方法，以适用于800伏电池。因此，我们目前正在采用的方法是针对逆变器，因为它是三级拓扑。这意味着将两个设备串联。还有一种开关算法，可让您基本上输出两倍的相位纹波。这样就可以在800伏的总线拓扑中使用650伏的设备。因此，这种方法有很多优点。当然，就需要使用更多的开关而言，缺点也很多，但我们认为，优点大于缺点。”

图1：电动汽车中的电力电子设备（来源：VisIC）

氮化镓的带隙等于3.4 eV，明显高于硅的带隙（1.2 eV）。氮化镓电子的更大迁移率导致更高的开关速度，因为通常会累积在结上的电荷可以更快地分散。带隙较宽也可以在较高温度下工作。随着温度的升高，价带中的电子热能增加，直到超过某个温度阈值，电子进入传导区。对于硅，该温度阈值约为150°C，而对于GaN，该阈值甚至高于400°C。宽带隙也意味着更大的击穿电压。

氮化镓晶体管

GaN半导体由于其物理特性而提供了优于其硅FET的性能。GaN晶体管有两种不同的技术，即D模式和E模式。

e模式可作为普通MOSFET使用，并提供更简单的封装，低电阻，而无须具有双向沟道的体二极管。d-GaN晶体管通常处于导通状态，并且需要负电压。您可以通过将HEMT晶体管与低压硅MOSFET串联连接来克服此问题。增强模式晶体管通常处于关闭状态，并通过施加到栅极的正电压导通。

由于具有更高的栅极驱动安全裕度和更高的栅极驱动噪声抗扰性，VisIC是D模式技术的早期采用者和支持者，可用于大功率汽车用例。VisIC的D3GaN技术还可以轻松实现并行化，这是逆变器的一项关键功能，并且采用了最新的封装以降低功耗。

“我们在直接驱动结构中使用D模式技术。因此，这意味着引脚直接连接到氮化镓，但是我们有一些辅助硅电路，可以确保设备正常关闭，但是与共源共栅结构相比，它们不会增加任何开关损耗，” Bunin说。

他补充说：“ D3GaN技术通过易于使用的0V至+ 15V标准驱动器电路，使D型GaN的坚固性和可靠性受益。”

图2：D3GaN技术布局（来源：VisIC）

D3GaN（直接驱动D模式）V22TC65S1A电源开关在“常关”产品中集成了获得专利的高密度横向GaN功率晶体管。D3GaN技术已实现在隔离式高功率SMD封装中。

“我们的短路保护方法主要是时序问题。快速检测过电流事件。并且在检测之后，安全地关闭氮化镓设备。为此，我们开发了一种可在大约200纳秒内检测和保护GaN器件的电路。”

生产单个大电流芯片的挑战是宽带技术（WBG）所熟悉的一种。D3GaN平台的精心设计和VisIC的制造合作伙伴台积电（TSMC）的卓越制造能力使VisIC的下一代200A GaN技术成为可能。

汽车电气化正在改变汽车行业，消费者对能够更快充电并进一步行驶的汽车的要求也越来越高。结果，工程师需要设计紧凑，轻便的系统，而又不影响车辆性能。

如今，这种半导体的性能几乎已完全达到其理论极限，突出了硅基技术带来的一些缺点，特别是：散热有限，效率有限且传导损耗不可忽略。与基于硅的传统解决方案相比，在功率转换器等应用中使用氮化镓可实现重大改进：更高的功率效率，更小的尺寸，更轻的重量和更低的总体成本。

编辑：hfy