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德州儀器（TI） 當前的消費者對于續航里程、充電時(shí)間和性?xún)r(jià)比等問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，為了加快電動(dòng)汽車(chē)(EV)的采用，全球的汽車(chē)制造商都迫切需要增加電池容量、縮短充電時(shí)間，同時(shí)確保汽車(chē)尺寸、重量和器件成本保持不變。 電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器(OBC)正經(jīng)歷著(zhù)飛速的發(fā)展，它使消費者可以在家中、公共充電樁或商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)使用交流電源直接為電池充電。為了提高充電速度，OBC功率水平已從3.6kW增加到了22kW，但與此同時(shí)，OBC必須安裝在現有機械外殼內并且必須始終隨車(chē)攜帶，以免影響行駛里程。OBC功率密度最終將從現在的低于2kW/L增加到高于4kW/L。 開(kāi)關(guān)頻率的影響 OBC本質(zhì)上是一個(gè)開(kāi)關(guān)模式的電源轉換器。它主要由變壓器、電感器、濾波器和電容器等無(wú)源器件以及散熱器組成，這些器件構成了其重量和尺寸的大部分。增加開(kāi)關(guān)頻率需要縮小無(wú)源器件尺寸。但是，較高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )在功率金屬氧化物半導體(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管等開(kāi)關(guān)元件中造成較高的功耗。 縮小尺寸需要進(jìn)一步降低功率損耗才能保持器件溫度不變，因為縮小尺寸后散熱面積隨之減小。需要同時(shí)增加開(kāi)關(guān)頻率和效率才能形成這種更高的功率密度。這帶來(lái)了巨大的設計難題，而硅基電源器件很難解決這一難題。 增加開(kāi)關(guān)速度（器件端子之間電壓和電流的變化速度）將從根本上減少開(kāi)關(guān)能量損耗。這一過(guò)程必不可少，否則實(shí)際的最大頻率將受到限制。在端子之間具有較低寄生電容（在低電感電路布線(xiàn)中精心設計）的電源器件便可以順利實(shí)現此目的。 優(yōu)于硅器件的性能 使用寬帶隙半導體，例如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)構建的電源器件具有獨特的物理特性，可顯著(zhù)降低電容，同時(shí)確保同等的導通電阻和擊穿電壓。更高的擊穿臨界電場(chǎng)（GaN比硅高10倍）和更高的電子遷移率（GaN比硅高33%）可有效實(shí)現更低的導通電阻和更低的電容。這樣一來(lái)，GaN和SiC FET與硅相比本身就可以在更高的開(kāi)關(guān)速度下工作，并且損耗更低。 GaN的優(yōu)勢尤其明顯： • GaN的低柵極電容可在硬開(kāi)關(guān)期間實(shí)現更快的導通和關(guān)斷，從而減少了交叉功率損耗。GaN的柵極電荷品質(zhì)因數為1nC-Ω。 • GaN的低輸出電容可在軟開(kāi)關(guān)期間實(shí)現快速的漏源轉換，在低負載（磁化）電流下尤其如此。例如，典型 GaN FET的輸出電荷品質(zhì)因數為5nC-Ω，而硅器件為25nC-Ω。借助這些器件，設計人員可以使用較小的死區時(shí)間和低磁化電流，而它們對于增加頻率和減少循環(huán)功率損耗必不可少。 • 與硅和SiC電源MOSFET不同，GaN晶體管結構中本身沒(méi)有體二極管，因此沒(méi)有反向恢復損耗。這使得圖騰柱無(wú)橋功率因數校正等新型高效架構可以在數千瓦時(shí)變得可行，這在以前使用硅器件時(shí)是無(wú)法實(shí)現的。 所有這些優(yōu)點(diǎn)使設計人員能夠使用GaN在更高的開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現高效率，如圖1所示。額定電壓為650V的GaN FET可支持最高10kW的應用，例如服務(wù)器交流/直流電源、電動(dòng)汽車(chē)高壓直流/直流轉換器和OBC（并聯(lián)堆疊可達到22kW）。SiC器件最高可提供1.2kV的電壓，并具有高載流能力，非常適合用于電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器和大型三相電網(wǎng)逆變器。 
圖 1：GaN在支持超高頻應用方面優(yōu)于所有技術(shù) 高頻設計挑戰 在開(kāi)關(guān)頻率達到數百伏特時(shí)，需要對典型的10ns上升和下降時(shí)間進(jìn)行精心設計，以避免寄生電感效應。FET和驅動(dòng)器之間的共源電感和柵極回路電感具有以下關(guān)鍵影響： • 共源電感限制漏源瞬態(tài)電壓(dV/dt)和瞬態(tài)電流(dI/dt)，從而降低開(kāi)關(guān)速度，增加硬開(kāi)關(guān)期間的重疊損耗和軟開(kāi)關(guān)期間的轉換時(shí)間。 • 柵極回路電感限制柵極電流dI/dt，從而降低開(kāi)關(guān)速度，增加硬開(kāi)關(guān)期間的重疊損耗。其他負面影響包括增加對米勒導通效應的易感性，形成額外功率損耗風(fēng)險，增加更大程度減小柵極絕緣體電壓過(guò)應力的設計難題，如果不適當緩解過(guò)應力，則會(huì )降低可靠性。 這樣一來(lái)，工程師可能需要使用鐵氧體磁珠和阻尼電阻，但是這些會(huì )降低開(kāi)關(guān)速度并與增加頻率的目標背道而馳。盡管GaN和SiC器件本身就適用于進(jìn)行高頻工作，但要充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢仍需要克服系統級設計難題。如果能夠獲得設計精良的產(chǎn)品，而該產(chǎn)品兼顧了易用性、穩定性和設計靈活性的話(huà)，則可以加快對該技術(shù)的應用。 具有集成式驅動(dòng)器、保護和功耗管理功能的GaN FET 德州儀器(TI)的650V完全集成式汽車(chē)類(lèi)GaN FET具有GaN的高效、高頻開(kāi)關(guān)優(yōu)勢，且沒(méi)有相關(guān)的設計和器件選擇缺陷。GaN FET和驅動(dòng)器緊密集成在低電感四方扁平無(wú)引線(xiàn)(QFN)封裝中，大大降低了寄生柵極回路電感，讓設計人員無(wú)需擔憂(yōu)柵極過(guò)應力和寄生米勒導通效應，并且共源電感非常低，可實(shí)現快速開(kāi)關(guān)，減少損耗。 LMG3522R030-Q1 與 C2000™ 實(shí)時(shí)微控制器中的高級控制功能（如 TMS320F2838x 或 TMS320F28004x相結合，可在功率轉換器中實(shí)現高于1MHz的開(kāi)關(guān)頻率，與現有的硅和SiC解決方案相比，其磁體尺寸減小了59％。 與分立式FET相比，演示中大于100V/ns 的漏源壓擺率可降低67%的開(kāi)關(guān)損耗，而其可調節性介于 30-150V/ns之間，可權衡效率與電磁干擾，從而降低下游產(chǎn)品設計風(fēng)險。集成式電流保護功能確保了穩健性，并增加了許多新功能，包括用于管理有源功率的數字脈寬調制溫度報告、運行狀況監測和理想二極管模式（如 LMG3525R030-Q1 所提供），讓設計人員無(wú)需實(shí)施自適應死區時(shí)間控制。12mm×12mm的頂部冷卻QFN封裝還可以增強散熱管理。 TI GaN器件通過(guò)了4,000多萬(wàn)小時(shí)的器件可靠性測試，并且10年壽命的故障率小于1，可滿(mǎn)足汽車(chē)制造商所期望的耐用性。TI GaN在普遍可用的硅基板上構建，并使用所有內部制造設施的現有工藝節點(diǎn)制造，與基于SiC或藍寶石基板的其他技術(shù)不同，它具有確定的供應鏈和成本優(yōu)勢。在線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)TI GaN，了解有關(guān)汽車(chē)類(lèi)GaN FET的更多信息。 |
