使用GaN器件實(shí)現(xiàn)汽車電氣化

汽車行業(yè)正在經(jīng)歷從內(nèi)燃機(jī) (ICE) 到全電動(dòng)未來(lái)的巨變。VisIC Technologies 的功率晶體管使該行業(yè)能夠擴(kuò)大電動(dòng)汽車的范圍并同時(shí)降低成本。我們目睹的變化正引領(lǐng)我們走向由寬帶隙材料支持的全電動(dòng)汽車生態(tài)系統(tǒng)。電力電子行業(yè)已經(jīng)看到硅 MOSFET 的理論極限，現(xiàn)在需要轉(zhuǎn)向新元件。氮化鎵或 GaN是一種高度移動(dòng)的電子半導(dǎo)體，被證明是滿足新應(yīng)用的真正附加值。

電動(dòng)汽車

電動(dòng)汽車的關(guān)鍵元件是電動(dòng)機(jī)、電池和所有控制電流傳輸?shù)膭?dòng)力系統(tǒng)。逆變器的效率會(huì)影響電池在驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)充電的壽命。VisIC Technologies 提供 D3GaN（直接驅(qū)動(dòng)耗盡型 GaN）產(chǎn)品，用于創(chuàng)建高效逆變器作為分立產(chǎn)品或集成到模塊封裝中。

由于期待更好的充電基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)在汽車對(duì)車載充電器的需求很重要。目的是盡量減少 OBC 和所需冷卻系統(tǒng)的成本、尺寸和重量。這種趨勢(shì)與 GaN 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常吻合，因?yàn)樗梢钥焖偾袚Q且損耗低，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)銷售人員 Elijah Bunin 表示：“GaN 的優(yōu)勢(shì)在于它可以在非常高的頻率下以低損耗運(yùn)行。因此，板載充電器是一個(gè)非常好的候選者。另一方面，氮化鎵的生產(chǎn)成本低于碳化硅。這使得需要大量半導(dǎo)體的逆變器應(yīng)用受益。GaN 和碳化硅都為逆變器提供了優(yōu)于現(xiàn)有 IGBT 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。所以目前，我們和其他半導(dǎo)體公司都在研究如何提高GaN器件的額定電壓，以應(yīng)用于800伏電池。因此，我們目前也在做的一種方法是針對(duì)逆變器，它是三電平拓?fù)?。這意味著將兩個(gè)設(shè)備串聯(lián)。并且有一種開關(guān)算法可以讓您基本上輸出雙倍的相位紋波。這允許在 800 伏總線拓?fù)渲惺褂?650 伏設(shè)備。所以這種方法是有優(yōu)勢(shì)的。當(dāng)然，在您需要使用更多開關(guān)方面存在缺點(diǎn)，但我們相信利大于弊?！?/p>

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?yàn)橥ǔ?huì)在結(jié)上積累的電荷可以更快地分散。更寬的帶隙還允許更高的溫度操作。隨著溫度的升高，價(jià)帶中電子的熱能增加，直到一旦超過(guò)某個(gè)溫度閾值，它們就會(huì)進(jìn)入傳導(dǎo)區(qū)。對(duì)于硅，該溫度閾值約為 150 °C，而對(duì)于 GaN，它甚至高于 400 °C。寬帶隙也意味著更高的擊穿電壓。

氮化鎵晶體管

由于其物理特性，GaN 半導(dǎo)體提供優(yōu)于其硅 FET 的性能。GaN晶體管有兩種不同的技術(shù)，D-mode和E-mode。

e-mode 與普通 MOSFET 一樣工作，并提供更簡(jiǎn)單的封裝、低電阻，沒(méi)有體二極管，具有像這樣的雙向通道。d-GaN 晶體管通常是導(dǎo)通的，需要負(fù)電壓。您可以通過(guò)將 HEMT 晶體管與低壓硅 MOSFET 串聯(lián)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。增強(qiáng)型晶體管通常是關(guān)斷的，而通過(guò)施加到柵極的正電壓而導(dǎo)通。

VisIC 是 D 模式技術(shù)的早期采用者和支持者，可實(shí)現(xiàn)高功率汽車用例，因?yàn)樗哂懈叩?a target="_blank">柵極驅(qū)動(dòng)安全裕度和更高的柵極驅(qū)動(dòng)噪聲抗擾度。VisIC 的 D 3 GaN 技術(shù)還允許輕松簡(jiǎn)單的并聯(lián)，這是逆變器的一個(gè)關(guān)鍵特性，以及最先進(jìn)的功耗封裝。

“我們?cè)谥苯域?qū)動(dòng)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，但我們有一些輔助硅電路，可確保設(shè)備正常關(guān)閉，但與共源共柵結(jié)構(gòu)相比，它們不會(huì)增加任何開關(guān)損耗，”Bunin 說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)：“D 3 GaN 技術(shù)通過(guò)易于使用的 0V 至 +15V 標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器電路使 D-Mode GaN 的穩(wěn)健性和可靠性受益?！?/p>

圖 2：D 3 GaN 技術(shù)布局

D 3 GaN（直接驅(qū)動(dòng) D 模式）V22TC65S1A 電源開關(guān)將獲得專利的高密度橫向 GaN 功率晶體管集成到常關(guān)產(chǎn)品中。D 3 GaN 技術(shù)已應(yīng)用到隔離式高功率 SMD 封裝中。

“我們的短路保護(hù)方法完全與時(shí)間有關(guān)?？焖?a target="_blank">檢測(cè)過(guò)流事件。并在檢測(cè)后安全關(guān)閉氮化鎵器件。為此，我們開發(fā)了一種電路，可以在大約 200 納秒內(nèi)檢測(cè)和保護(hù) GaN 器件，”Bunin 說(shuō)。

生產(chǎn)單個(gè)大電流芯片的挑戰(zhàn)是寬帶技術(shù) (WBG) 所熟悉的挑戰(zhàn)。VisIC 的下一代 200A GaN 技術(shù)得益于 D3GaN 平臺(tái)的周到設(shè)計(jì)和 VisIC 的制造合作伙伴臺(tái)積電的卓越制造能力。

汽車電氣化正在改變汽車行業(yè)，消費(fèi)者對(duì)充電速度更快、行駛更遠(yuǎn)的汽車的要求越來(lái)越高。因此，工程師需要在不影響車輛性能的情況下設(shè)計(jì)緊湊、輕便的系統(tǒng)。

今天，這種半導(dǎo)體的性能幾乎完全達(dá)到了其理論極限，突出了硅基技術(shù)的一些缺點(diǎn)，特別是：有限的散熱、有限的效率和不可忽略的傳導(dǎo)損耗。與基于硅的傳統(tǒng)解決方案相比，在電源轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用中使用氮化鎵可實(shí)現(xiàn)顯著改進(jìn)：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。

審核編輯：郭婷