如何采用氮化鎵或GaN實現(xiàn)車輛電氣化

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

汽車行業(yè)正經(jīng)歷著從內(nèi)燃機（ICE）到全電動未來的巨變。VisIC Technologies的功率晶體管使行業(yè)能夠擴展電動汽車的范圍并同時降低成本。我們目睹的變化正在使我們邁向由寬帶隙材料支持的全電動汽車生態(tài)系統(tǒng)。電力電子行業(yè)已經(jīng)達到了硅MOSFET的理論極限，現(xiàn)在需要轉(zhuǎn)移到一個新的領(lǐng)域。氮化鎵或GaN是一種高度移動的電子半導(dǎo)體，被證明在滿足新應(yīng)用方面具有真正的附加值。

電動汽車

電動汽車的關(guān)鍵要素是電動機，電池和控制電流傳輸?shù)乃袆恿偝上到y(tǒng)。逆變器的效率會影響驅(qū)動電機的電池壽命。VisIC Technologies提供D3GaN（直接驅(qū)動耗盡型GaN）產(chǎn)品，可用于創(chuàng)建高效的逆變器，既可以作為離散產(chǎn)品，也可以集成到模??塊封裝中。

如今，由于期望更好的充電基礎(chǔ)設(shè)施，對汽車中的車載充電器的需求非常重要。目的是最小化OBC和所需冷卻系統(tǒng)的成本，尺寸和重量。這種趨勢與GaN技術(shù)的優(yōu)勢非常吻合，因為它可以以低損耗快速切換，從而降低了冷卻解決方案的成本。

VisIC Technologies Ltd.產(chǎn)品經(jīng)理兼技術(shù)銷售部的Elijah Bunin說：“ GaN具有一個優(yōu)勢，它可以在很高的頻率下以低損耗運行。”他補充說：“因此，板載充電器非常適合此用途另一方面，氮化鎵的生產(chǎn)成本低于碳化硅。并且這允許在需要大量半導(dǎo)體的逆變器應(yīng)用中受益。GaN和碳化硅在逆變器方面都比現(xiàn)有的IGBT技術(shù)更具優(yōu)勢。因此，當(dāng)前，我們和其他半導(dǎo)體公司都在研究增加GaN器件的額定電壓的方法，以適用于800伏電池。因此，我們目前正在采用的方法是針對逆變器，因為它是三級拓撲。這意味著將兩個設(shè)備串聯(lián)。還有一種開關(guān)算法，可讓您基本上輸出兩倍的相位紋波。這樣就可以在800伏的總線拓撲中使用650伏的設(shè)備。因此，這種方法有很多優(yōu)點。當(dāng)然，就需要使用更多的開關(guān)而言，缺點也很多，但我們認為，優(yōu)點大于缺點?！?/p>

圖1：電動汽車中的電力電子設(shè)備（來源：VisIC）

氮化鎵的帶隙等于3.4 eV，明顯高于硅的帶隙（1.2 eV）。氮化鎵電子的更大遷移率導(dǎo)致更高的開關(guān)速度，因為通常會累積在結(jié)上的電荷可以更快地分散。帶隙較寬也可以在較高溫度下工作。隨著溫度的升高，價帶中的電子熱能增加，直到超過某個溫度閾值，電子進入傳導(dǎo)區(qū)。對于硅，該溫度閾值約為150°C，而對于GaN，該閾值甚至高于400°C。寬帶隙也意味著更大的擊穿電壓。

氮化鎵晶體管

GaN半導(dǎo)體由于其物理特性而提供了優(yōu)于其硅FET的性能。GaN晶體管有兩種不同的技術(shù)，即D模式和E模式。

e模式可作為普通MOSFET使用，并提供更簡單的封裝，低電阻，而無須具有雙向溝道的體二極管。d-GaN晶體管通常處于導(dǎo)通狀態(tài)，并且需要負電壓。您可以通過將HEMT晶體管與低壓硅MOSFET串聯(lián)連接來克服此問題。增強模式晶體管通常處于關(guān)閉狀態(tài)，并通過施加到柵極的正電壓導(dǎo)通。

由于具有更高的柵極驅(qū)動安全裕度和更高的柵極驅(qū)動噪聲抗擾性，VisIC是D模式技術(shù)的早期采用者和支持者，可用于大功率汽車用例。VisIC的D3GaN技術(shù)還可以輕松實現(xiàn)并行化，這是逆變器的一項關(guān)鍵功能，并且采用了最新的封裝以降低功耗。

“我們在直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)中使用D模式技術(shù)。因此，這意味著引腳直接連接到氮化鎵，但是我們有一些輔助硅電路，可以確保設(shè)備正常關(guān)閉，但是與共源共柵結(jié)構(gòu)相比，它們不會增加任何開關(guān)損耗，” Bunin說。

他補充說：“ D3GaN技術(shù)通過易于使用的0V至+ 15V標(biāo)準驅(qū)動器電路，使D型GaN的堅固性和可靠性受益?！?/p>

圖2：D3GaN技術(shù)布局（來源：VisIC）

D3GaN（直接驅(qū)動D模式）V22TC65S1A電源開關(guān)在“常關(guān)”產(chǎn)品中集成了獲得專利的高密度橫向GaN功率晶體管。D3GaN技術(shù)已實現(xiàn)在隔離式高功率SMD封裝中。

“我們的短路保護方法主要是時序問題。快速檢測過電流事件。并且在檢測之后，安全地關(guān)閉氮化鎵設(shè)備。為此，我們開發(fā)了一種可在大約200納秒內(nèi)檢測和保護GaN器件的電路?！?/p>

生產(chǎn)單個大電流芯片的挑戰(zhàn)是寬帶技術(shù)（WBG）所熟悉的一種。D3GaN平臺的精心設(shè)計和VisIC的制造合作伙伴臺積電（TSMC）的卓越制造能力使VisIC的下一代200A GaN技術(shù)成為可能。

汽車電氣化正在改變汽車行業(yè)，消費者對能夠更快充電并進一步行駛的汽車的要求也越來越高。結(jié)果，工程師需要設(shè)計緊湊，輕便的系統(tǒng)，而又不影響車輛性能。

如今，這種半導(dǎo)體的性能幾乎已完全達到其理論極限，突出了硅基技術(shù)帶來的一些缺點，特別是：散熱有限，效率有限且傳導(dǎo)損耗不可忽略。與基于硅的傳統(tǒng)解決方案相比，在功率轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中使用氮化鎵可實現(xiàn)重大改進：更高的功率效率，更小的尺寸，更輕的重量和更低的總體成本。

編輯：hfy