光伏微逆、數(shù)據(jù)中心先行，GaN OBC也在加快進度

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）去年12月，英飛凌公布了自己的OBC產(chǎn)品戰(zhàn)略路線，未來將采用SiC和GaN等第三代半導(dǎo)體來提高OBC功率密度，其中GaN會在2025年后應(yīng)用到OBC上，屆時功率密度將會提高至6kW/L以上。

今年以來，GaN落地的應(yīng)用場景在持續(xù)增多，比如在光伏和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域。在光伏領(lǐng)域，GaN功率器件高頻特性能夠大幅提高微型逆變器的功率密度，其次更低的導(dǎo)通損耗，能夠提高轉(zhuǎn)換效率，降低損耗，同時提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。

相對而言，GaN在汽車上的進展顯得稍慢，除了在座艙內(nèi)無線充電等場景應(yīng)用外，其他車用場景包括OBC、主驅(qū)逆變器等目前還未有大規(guī)模應(yīng)用GaN的案例出現(xiàn)。所以O(shè)BC上GaN器件，產(chǎn)業(yè)鏈上下游進展如何？

GaN在OBC上的應(yīng)用優(yōu)勢

從英飛凌的產(chǎn)品戰(zhàn)略路線圖也能夠看出，GaN實際上能夠大幅提高OBC的功率密度，這與GaN FET的高頻特性有關(guān)。GaN器件的開關(guān)速度比硅器件快得多，這意味著可以通過提高開關(guān)頻率，從而減小無源元件的尺寸，比如變壓器、電感和電容器等，進一步減少整體體積和重量。

根據(jù)TI的數(shù)據(jù)，使用其GaN功率器件可以實現(xiàn)超過500kHz 的 CLLLC 開關(guān)頻率和 120kHz 的 PFC 開關(guān)頻率，同時集成柵極驅(qū)動器簡化了系統(tǒng)級設(shè)計，使用GaN的OBC功率密度可以比使用SiC的OBC更高，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率也高達96.5%。

有案例顯示，使用GaN的OBC方案能夠比SiC方案尺寸縮小60%，同時還實現(xiàn)比SiC高62%的開關(guān)頻率，因此能相比SiC擁有更高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率。

GaN功率器件的低導(dǎo)通電阻，也是提高OBC系統(tǒng)效率的一環(huán)，比如在相同的結(jié)面積情況下，GaN的導(dǎo)通電阻僅有5mΩ/cm2, 硅的導(dǎo)通電阻為10mΩ/cm2。

理論上的性能優(yōu)勢，讓各大企業(yè)都在推進GaN上車的計劃，而OBC由于不涉及到行駛安全，相比主驅(qū)的應(yīng)用來說，失效帶來的風險較小，因此OBC也成為了目前GaN上車的首選。

大廠進場，GaN OBC進展加速

GaN上車其實在幾年前就成為了行業(yè)內(nèi)頭部企業(yè)的主要目標之一。2021年納微半導(dǎo)體預(yù)測，一輛電動車中，潛在能夠應(yīng)用到GaN的部件的市場機會超過250美元，到了2025年，電動汽車中，GaN功率芯片市場機會總值每年將有望超過25億美元。

而納微半導(dǎo)體也在2021年第四季度，在上海設(shè)立了第一個面向全球的電動汽車相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)中心，開始布局OBC、主驅(qū)逆變器等領(lǐng)域的GaN應(yīng)用，希望進軍汽車市場。

在各大GaN廠商的規(guī)劃中，GaN將會在400V平臺的車型上被應(yīng)用到主驅(qū)逆變器、DC-DC、OBC等各個方面。包括早在2020年GaN Systems就展示了一款全GaN汽車，幾乎所有功率器件都采用了GaN，證明GaN在汽車功率轉(zhuǎn)換方面應(yīng)用的可行性。

最早對外宣布在汽車上嘗試應(yīng)用GaN的車企是寶馬集團。寶馬在2021年宣布與GaN Systems合作，就寶馬高性能車載標準的GaN功率半導(dǎo)體簽署了全面的產(chǎn)能協(xié)議，當時合作金額達1億美元。

英飛凌在2023年收購了GaN Systems，目前在英飛凌官網(wǎng)上可以看到GaN Systems在汽車領(lǐng)域的一些成功案例，比如電動汽車滑板底盤公司Canoo與GaN Systems合作的一款7.2kW電動汽車OBC，PFC峰值效率高達98.7%，合并效率也達到了96%。

海拉也采用了GaN Systems的器件推出了一款22kW的OBC，功率密度高達4kW/L，相比采用硅功率器件的OBC功率密度提高了3倍，能源效率也超過96%。

TI則早在2022年就展示了基于GaN器件的6.6kW OBC參考設(shè)計，該的參考設(shè)計PFC 工作頻率為 120kHz，而 CLLLC 在 200kHz 至 800kHz 的可變頻率范圍內(nèi)運行。峰值系統(tǒng)效率為 96.5%，該數(shù)值在 3.8kW/L 開放式框架功率密度下實現(xiàn)。

更早之前，以色列的功率GaN公司VisIC也推出過一款6.7kW的車載OBC參考設(shè)計，功率密度接近3kW/L，負載范圍內(nèi)充電效率超過96%。

去年GaN Systems未被收購前，在應(yīng)用電力電子會議(APEC 2023)上發(fā)布了一款11kW/800V的GaN OBC參考設(shè)計，與現(xiàn)有的SiC OBC相比，這款參考設(shè)計功率密度提升了36%，BOM成本還能降低至少15%。這主要是由于采用了無橋圖騰柱功率因數(shù)校正結(jié)構(gòu)和三階飛馳電容(Flying Capacitor)拓撲。

據(jù)稱三界飛馳電容拓撲中采用GaN器件可以達到極高的切換頻率，有效降低一半的電壓壓力，所以可以在800V電源系統(tǒng)中使用650V GaN器件。不過GaN Systems也提到這種新型的拓撲結(jié)構(gòu)并不是公司獨創(chuàng)，而是還處于學術(shù)研究階段，公司克服了從實驗室到量產(chǎn)的障礙，讓OBC廠商可以盡快評估這種新型拓撲的應(yīng)用潛力。

而近年來，確實已經(jīng)有越來越多的OBC廠商開始與GaN廠商合作，開發(fā)在OBC、充電樁等領(lǐng)域的GaN應(yīng)用。

寫在最后:

GaN在光伏微逆上的成功應(yīng)用，相信會給OBC等車載領(lǐng)域市場使用GaN帶來更多的信心。按照汽車芯片大廠英飛凌的計劃，2025年會將GaN應(yīng)用到OBC上，而實際落地的車型可能也已經(jīng)離我們不遠了。