在电力电子应用中,为了满足更高能效和更高开关频率的要求,功率密度正在成为关键的指标之一。基于硅(Si)的技术日趋接近发展极限,高频性能和能量密度不断下降,功率半导体材料也在从第一代的硅基材料发展到第二代的砷化镓后,正式开启了第三代宽禁带技术如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的应用之门。

 

SiC的耐高压能力是硅的10倍,耐高温能力是硅的2倍,高频能力是硅的2倍。相同电气参数产品,采用SiC材料可缩小体积50%,降低能量损耗80%。同样,GaN也有着许多出色的性能,它的带隙为3.2eV,几乎比硅的1.1eV带隙高3倍,使其拥有比硅高1,000倍的电子传导效率的潜力。更重要的是,GaN能够以高达1MHz的频率工作,且效率不会降低,而硅的工作频率则很难达到100kHz以上。因此,凭借极高的功率转换效率,在生产高效率电压转换器、功率MOSFET肖特基二极管时,GaN几乎可以成为硅的替代品。在应用上,SiC主要运用在高压环境,GaN则集中在中低压的领域。其中,SiC器件能提供高达1,200V的电压等级,并具备高载流能力,非常适合汽车和机车牵引逆变器、高功率太阳能发电场和大型三相电网转换器等应用。

 

GaN FET通常为600V,可在10kW及更高范围内作为高功率密度转换器,最初采用GaN技术并增长的主要应用是低功率快速充电USB PD电源适配器和游戏类笔记本电脑高功率适配器等。随着技术的进步以及成本的优化,GaN的应用范围得到了极大拓展,在电动汽车(EV)中的应用也不再限于车载充电器,在直流/直流转换器、牵引逆变器中,基于GaN的解决方案正在规模性推广中。

 

电动汽车能否成为GaN应用的未来?

 

此前,GaN的关键应用主要是在5G基站和智能手机中,人们利用GaN器件提供射频信号和天线之间的最后一级功率放大。由于其效率高、功率密度大、占地面积小,GaN器件能有效提高基站的数据吞吐量并减少拥塞。在过去2-3年中,GaN技术取得了快速发展。如果将GaN FET用于汽车中,可让电动汽车(EV)汽车变得更轻、更节能。为什么要在EV中使用GaN FET?这个问题要从两方面来讲。首先,GaN FET是一种高电子迁移率晶体管(HEMT),其优异的材料和器件特性使其成为汽车电源系统和射频器件中更先进应用的理想选择。其次,EV的电力系统常常在高开关频率、高输出电流和高电压下运行,GaN所具备的出色的高频特性在这里正好派上用场。具体来看,GaN FET在射频和汽车电力电子领域拥有的优势主要源于以下材料特性:

 

击穿电场

GaN具有比Si更高的击穿电场(大约是Si的15倍),因此GaN器件可以在比相同尺寸的Si MOSFET更高的电压下工作。

 

电子迁移率

GaN的电子迁移率高于Si,因此GaN晶体管在物理上可以小于具有相同导通电阻的Si晶体管。

 

热导率

GaN的热导率约为Si的2倍,因此它可以更有效地将热量耗散到基板或散热器中。

 

电容

当两个器件的物理尺寸大致相同时,GaN FET上输入端之间的电容小于Si MOSFET中的电容。

 

如今,GaN功率器件已经出现在小容量、高端光伏逆变器中,并且越来越多地用于包括智能手机在内的一系列移动设备的快速充电器中。根据Yole的分析数据,GaN功率器件的收入预计在2021将达到约1亿美元。但随着GaN器件供应商寻求进入其他市场,到2026年,这一数字将增至10亿美元。其中,EV/HEV市场是一个颇受关注的市场。

 

图1:功率GaN器件市场分析及预测(图源:Yole)

 

Yole的技术和市场分析师们认为,GaN可以在更高的频率下以更高的效率工作,这一特性明显优于Si MOSFET器件,从而有效减少系统中无源元件的数量并提高功率密度。预计从2022年开始,GaN将以小规模渗透至新能源汽车市场,其中的主要渗透目标是48V至12V DC/DC转换器,即标准化轻度混合动力电动汽车(MHEV)中的48V系统,以增加功率输送并减少电阻损耗。

 

 

 

GaN和SiC在车载应用中的区隔

 

GaN和SiC都是宽带隙材料。虽然这些材料具有优异的性能,但它们的特性、应用和栅极驱动要求各不相同。目前来看,在更高功率和更高电压的应用中(1,200V以上),尤其是在逆变器级,SiC更受青睐。SiC可以在大功率和超高压(650V以上)应用中与IGBT晶体管竞争。

 

同样,GaN最初的利基市场来自车载充电器(OBC),在该市场中,GaN处于非常有利的地位。在电压高达650V的电力应用中,GaN可以与电流MOSFET和超结(SJ)MOSFET竞争。随着车载充电器和DC/DC细分市场的发展势头不断增强,对于GaN来说,这可能是一个价值数十亿美元的市场。不过,关键的问题是:这项技术是否能够应用于电动汽车动力系统的主逆变器,从而获得与SiC技术相当的惊人高容量。早期的行业发展表明这个方案是可行的,或许,我们现在可以说,继5G应用之后,新能源汽车将成为GaN的另一杀手级应用。

 

汽车应用中GaN FET的选型

 

市场上有两种常见的GaN FET,分别生长在Si上的和生长在SiC上。SiC的热导率约为GaN的170%,因此在高功率应用中,通过在SiC上异质外延生长GaN形成的GaN FET是首选。对于开关应用,如大功率开关稳压器,较低的电容和较小的R_ON值可以实现非常快的功率传输,上升时间约为纳秒。这些特性意味着GaN FET可以同时在高频和更高功率下运行,这两者都是射频和汽车应用的电力电子所需要的。

 

市场上的GaN FET有许多型号,在为电动汽车选择GaN FET时我们要充分考虑电动汽车的特性和应用场景。当前,电动汽车的推广面临着两大挑战,即成本和行驶里程问题。降低成本和提高系统效率比较有效的一种方法是集成动力传动系统。集成包括细致的设计和对安全概念和潜在交互的透彻理解。集成还减少了对多余包装材料的需求,消除了冗余硬件,显著降低了系统的重量和体积。将动力传动系统集成到紧凑的机械外壳中,可以生产出更实惠、更高效的电动汽车。凭借其低开关功率损耗,GaN FET可以胜任这个工作。对于EV动力系统而言,GaN FET解决方案将使功率密度加倍,同时通过集成栅极驱动器将尺寸减小约60%,开关速度高达2.2MHz。因此,GaN FET非常适合于交流/直流车载充电器(OBC)和电动汽车中的高压到低压(HV到LV)DC/DC转换器。在车载充电器方案中,GaN FET有助于提高空间效率,为其他车载组件与OBC集成腾出空间。在DC/DC转换器中,需要从车辆蓄电池进行电源转换(例如400V到12V或48V到12V),而GaN FET拥有很强的尺寸和效率优势。在牵引逆变器中,GaN功率半导体是牵引逆变器发展的关键,与使用传统IGBT的逆变器相比,牵引逆变器能够提供70%以上的功率增长。

 

Nexperia的GAN063-650WSA 650V、50mΩ氮化镓FET是一款常关型器件,结合了Nexperia的最新高压GaN HEMT和低压Si MOSFET技术。该器件的栅极电压高达20V,快速开启时间为57ns(10ns输出上升时间),峰值直流漏源电压达到650V。仅在10V栅极电压下,该场效应管提供34.5A直流电,峰值瞬态电流为150A,快速脉冲小于10μs。室温下导通电阻仅为50mΩ,175°C时仅上升至120mΩ。GAN063-650WSA 650V、50mΩ氮化镓FET具有卓越的可靠性和性能,符合AEC-Q101标准,非常适合用于无桥推拉输出电路PFC、伺服电机驱动器和UPS逆变器。

图2:GAN063-650WSA 650V、50mΩ氮化镓FET(图源:Nexperia)

 

EPC公司的EPC9163是一款2kW、两相的48V/12V双向转换器演示板,该板采用8个100V的EPC2218 eGaN FET,可在非常小的占板面积上实现96.5%的效率。eGaN FET的快速开关和低损耗特性使得转换器能够在500kHz下工作,从而显着缩小解决方案的尺寸。高开关频率能力允许设计中使用微型电感器,即节省了系统的空间还降低了成本。与Si MOSFET解决方案相比,基于eGaN FET的DC-DC转换器的速度提高了三倍、体积和重量减少了超过35%、效率提高了超过1.5%,而且总体系统成本更低。

 

图3:EPC9163 48V/12V双向转换器中采用了8个100V的EPC2218 eGaN FET,可在非常小的占板面积中实现96.5%的高效率(图源:EPC)

 

结语

 

电动汽车的技术进步正在稳步降低车辆的材料成本,功率密度更高的电池和效率更高的电机、逆变器和车载充电器的结合有助于减少车辆质量,从而实现更大的续航里程。GaN FET在电动汽车牵引逆变器、车载充电器(OBC)和DC/DC转换器中具有更高的效率和功率密度。出于这个原因,电动汽车的系统开发商正将GaN纳入更大的关注范围。接下来,GaN有可能取代硅成为汽车电子芯片的核心,以满足高功率环境中对更快、更高效电路的日益增长的需求。

 

GaN是一种快速成熟的技术。它允许采用新的设计方法,使车辆上的许多电力电子系统受益。传统的IGBT(绝缘栅双极晶体管)目前是电动汽车和混合动力汽车功率控制的主力军,而与目前使用IGBT的逆变器相比,基于GaN的逆变器效率可提高70%以上。也许现在就下断言说电动汽车是GaN的未来有些为时过早。不过,我们能够看到的事实是,许多功率GaN公司已经开发并通过了650V GaN设备的汽车认证,主要用于车载充电器和电动汽车/混合动力汽车中的DC/DC转换,并且与部分汽车企业建立了合作伙伴关系。从一些与车辆相关的应用示例中可以看出,这些应用会使汽车从GaN中受益。

 

不过,在任何情况下,GaN器件都不应被看作是现有设计中硅器件的“替代品”,因为这是一项以小空间实现高性能和高效率的新的设计方法,GaN器件为新能源汽车带来的好处是显而易见的。