汽车 GaN FET 专为 HEV／EV 的高频和鲁棒性而设计

电动汽车 (EV) 车载充电器 (OBC) 正在经历快速变化，它允许消费者直接通过家里或公共或商业网点的交流电源为电池充电。提高充电速率的需要导致功率水平从 3.6 kW 增加到 22 kW，但与此同时，OBC 必须安装在现有的机械外壳内，并始终由汽车携带，而不影响行驶里程。，有人提出将 OBC 功率密度从 4 kW/L 提高。

开关频率的影响

OBC 本质上是一个开关模式电源转换器。变压器、电感器、滤波器和电容器等无源元件以及散热器构成了其重量和尺寸的大部分。提高开关频率意味着更小的无源元件。然而，较高的开关频率会导致功率金属氧化物半导体 (MOSFET) 和绝缘栅双极晶体管等开关元件的功耗较高。

减小尺寸需要进一步减少功率损耗以保持相同的组件温度，因为现在可用于提取热量的表面积更小。这种更高的功率密度要求同时提高开关频率和效率。这就是硅基功率器件难以应对的挑战。

提高开关速度（器件端子之间电压和电流变化的速度）将从根本上减少开关能量损耗。这是必要的，否则实际的频率是有限的。端子之间寄生电容较低的功率器件（在低电感电路路径布置中精心设计）提供了一条前进的道路。

超越硅

使用氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等宽带隙半导体构建的功率器件凭借其器件物理特性，在具有相当的导通电阻和击穿电压的情况下提供显着更低的电容。更高的击穿临界电场（GaN 与硅相比为 10 倍）和更高的电子迁移率（GaN 与硅相比 >33%）可有效同时降低导通电阻和电容。因此，GaN 和 SiC FET 本质上能够以比硅更高的开关速度运行且损耗更低。

GaN的优点尤其引人注目：

GaN 的低栅极电容可在硬开关期间实现更快的开通和关断，从而减少交叉功率损耗。GaN 的栅极电荷品质因数为 1 nC-Ω。

GaN 的低输出电容可在软开关期间实现快速的漏极到源极转换，尤其是在低负载（磁化）电流的情况下。例如，典型的GaN FET 的输出电荷品质因数为 5 nC-Ω，而硅的输出电荷品质因数为 25 nC-Ω。这使得设计人员能够使用较短的死区时间和较低的磁化电流，这是提高频率和减少循环功率损耗所必需的。

与硅和 SiC 功率 MOSFET 不同，GaN 晶体管的结构中本身不存在体二极管，因此不存在反向恢复损耗。这使得新的高效架构（例如图腾柱无桥功率因数校正）在数千瓦功率下变得实用，而这在以前的硅器件中是不可能实现的。

所有这些优势使设计人员能够利用 GaN 以更高的开关频率实现高效率，如图 1 所示。GaN FET额定电压为 650 V，可实现高达 10 kW 的应用，例如服务器 AC/DC 电源、EV 高压DC/DC 转换器和 OBC（并联堆叠可达 22 kW）。SiC 器件的电压高达 1.2 kV，具有高载流能力，非常适合电动汽车牵引逆变器和大型三相电网转换器。

图 1.  GaN 在实现甚高频应用方面超越了所有技术。图片由博多电力系统提供  [PDF]

高频设计挑战

切换数百伏电压时，典型的 10 ns 上升和下降时间需要仔细设计，以避免寄生杂散电感效应。FET 和驱动器之间的共源极和栅极环路电感起着以下关键作用：

共源极电感限制漏源瞬态电压 (dV/dt) 和瞬态电流 (dI/dt)，降低开关速度，并增加硬开关期间的重叠损耗和软开关期间的过渡时间。

栅极环路电感限制栅极电流 dI/dt，从而降低开关速度并增加硬开关期间的重叠损耗。其他负面影响包括增加对米勒导通的敏感性，导致额外功率损耗的风险，以及引入化栅极绝缘体电压过应力的设计挑战，如果不适当缓解，则会降低可靠性。

因此，工程师可能需要求助于铁氧体磁珠和阻尼电阻器，但这些会降低开关速度并违背提高频率的目标。虽然 GaN 和 SiC 器件本质上适用于高频操作，但要充分发挥其优势仍然意味着克服系统级设计挑战。设计巧妙、考虑易用性、坚固性和设计灵活性的产品将加速技术的采用。