使用GaN器件实现汽车电气化

汽车行业正在经历从内燃机 (ICE) 到全电动未来的巨变。VisIC Technologies 的功率晶体管使该行业能够扩大电动汽车的范围并同时降低成本。我们目睹的变化正引领我们走向由宽带隙材料支持的全电动汽车生态系统。电力电子行业已经看到硅 MOSFET 的理论极限，现在需要转向新元件。氮化镓或 GaN是一种高度移动的电子半导体，被证明是满足新应用的真正附加值。

电动汽车

电动汽车的关键元件是电动机、电池和所有控制电流传输的动力系统。逆变器的效率会影响电池在驱动电机时充电的寿命。VisIC Technologies 提供 D3GaN（直接驱动耗尽型 GaN）产品，用于创建高效逆变器作为分立产品或集成到模块封装中。

由于期待更好的充电基础设施，现在汽车对车载充电器的需求很重要。目的是尽量减少 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，因为它可以快速切换且损耗低，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人员 Elijah Bunin 表示：“GaN 的优势在于它可以在非常高的频率下以低损耗运行。因此，板载充电器是一个非常好的候选者。另一方面，氮化镓的生产成本低于碳化硅。这使得需要大量半导体的逆变器应用受益。GaN 和碳化硅都为逆变器提供了优于现有 IGBT 技术的优势。所以目前，我们和其他半导体公司都在研究如何提高GaN器件的额定电压，以应用于800伏电池。因此，我们目前也在做的一种方法是针对逆变器，它是三电平拓扑。这意味着将两个设备串联。并且有一种开关算法可以让您基本上输出双倍的相位纹波。这允许在 800 伏总线拓扑中使用 650 伏设备。所以这种方法是有优势的。当然，在您需要使用更多开关方面存在缺点，但我们相信利大于弊。”

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，因为通常会在结上积累的电荷可以更快地分散。更宽的带隙还允许更高的温度操作。随着温度的升高，价带中电子的热能增加，直到一旦超过某个温度阈值，它们就会进入传导区。对于硅，该温度阈值约为 150 °C，而对于 GaN，它甚至高于 400 °C。宽带隙也意味着更高的击穿电压。

氮化镓晶体管

由于其物理特性，GaN 半导体提供优于其硅 FET 的性能。GaN晶体管有两种不同的技术，D-mode和E-mode。

e-mode 与普通 MOSFET 一样工作，并提供更简单的封装、低电阻，没有体二极管，具有像这样的双向通道。d-GaN 晶体管通常是导通的，需要负电压。您可以通过将 HEMT 晶体管与低压硅 MOSFET 串联来解决这个问题。增强型晶体管通常是关断的，而通过施加到栅极的正电压而导通。

VisIC 是 D 模式技术的早期采用者和支持者，可实现高功率汽车用例，因为它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度。VisIC 的 D 3 GaN 技术还允许轻松简单的并联，这是逆变器的一个关键特性，以及最先进的功耗封装。

“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，但我们有一些辅助硅电路，可确保设备正常关闭，但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：“D 3 GaN 技术通过易于使用的 0V 至 +15V 标准驱动器电路使 D-Mode GaN 的稳健性和可靠性受益。”

图 2：D 3 GaN 技术布局

D 3 GaN（直接驱动 D 模式）V22TC65S1A 电源开关将获得专利的高密度横向 GaN 功率晶体管集成到常关产品中。D 3 GaN 技术已应用到隔离式高功率 SMD 封装中。

“我们的短路保护方法完全与时间有关。快速检测过流事件。并在检测后安全关闭氮化镓器件。为此，我们开发了一种电路，可以在大约 200 纳秒内检测和保护 GaN 器件，”Bunin 说。

生产单个大电流芯片的挑战是宽带技术 (WBG) 所熟悉的挑战。VisIC 的下一代 200A GaN 技术得益于 D3GaN 平台的周到设计和 VisIC 的制造合作伙伴台积电的卓越制造能力。

汽车电气化正在改变汽车行业，消费者对充电速度更快、行驶更远的汽车的要求越来越高。因此，工程师需要在不影响车辆性能的情况下设计紧凑、轻便的系统。

今天，这种半导体的性能几乎完全达到了其理论极限，突出了硅基技术的一些缺点，特别是：有限的散热、有限的效率和不可忽略的传导损耗。与基于硅的传统解决方案相比，在电源转换器等应用中使用氮化镓可实现显着改进：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。

审核编辑：郭婷