基于GaN的汽車(chē)應用的最新進(jìn)展是什么？

電動(dòng)汽車(chē) （EV） 越來(lái)越受歡迎，因為精明的消費者，尤其是在加利福尼亞州，認識到出色的加速性能的優(yōu)勢，例如，當紅綠燈變綠時(shí)，汽油動(dòng)力汽車(chē)可能會(huì )被塵土甩砸。這是因為電動(dòng)機在駕駛員踩下油門(mén)的那一刻就會(huì )產(chǎn)生峰值扭矩。然而，與內燃機 （ICE） 汽車(chē)相比，電動(dòng)汽車(chē)的主要動(dòng)機是能源效率。

EV 車(chē)載電池充電器

EV1 的車(chē)載電池充電器 （OBC） 完全能夠為來(lái)自交流電網(wǎng)的高壓牽引電池充電（圖 1）。停放的車(chē)輛插入 EV 1 級和 2 級交流充電站之一，這些充電站出現在停車(chē)場(chǎng)、家庭、公司、購物中心和點(diǎn)綴景觀(guān)的其他地點(diǎn)。

圖1. 圖為電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載電池充電器示意圖。（圖片由參考文獻 1 提供）

Canoo 的 7.2 kW OBC

Canoo 的這一解決方案使用了 Infineon（前身為 GaN Systems）的功率半導體。它具有 98.7% 的功率因數校正 （PFC） 峰值效率，具有低開(kāi)關(guān)損耗、小尺寸和高效的電源管理（圖 2）。

圖2. 這是 Canoo 版本的 OBC，為 7.2 kW。（圖片由 Infineon（前身為 GaN Systems）提供）

基于 GaN 的 6.6kW OBC 參考設計

此基于氮化鎵 （GaN） 的雙向 OBC 參考設計7 采用交流電網(wǎng)的通用單相輸入。它為輸入電壓為 208 V AC 的負載提供全輸出功率 （6.6 kW）（圖 3）。

圖3. 這種雙向 6.6 kW OBC 旨在為電池提供最高功率。（圖片由 Reference 7 提供）

此參考設計的關(guān)鍵特性是為汽車(chē)電池提供最高功率。此外，還有高于 60 W/in 的功率密度水平。3 （3.66 kW/L），牽引電池電壓范圍為 250 至 450 V。此 OBC 設計將支持雙向作。

PFC 級和 DC-DC 轉換器采用 30mΩ、符合汽車(chē)標準的 650V LMG3522R030-Q1 GaN FET，由德州儀器 （TI） C2000 TMS320F28388D實(shí)時(shí)微控制器 （MCU） 控制。轉換器使用 12 個(gè) GaN FET，而用于無(wú)橋輸入整流器的低頻 FET 只是普通硅 MOSFET。

用于汽車(chē)的硅基氮化鎵功率 HEMT

GaN 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 基于 AlGaN/GaN 結構。2 由于電子通道的特性，這使得在高開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現低導通電阻成為可能。

AlGaN/GaN HEMT 是一種常開(kāi)器件。但是，這對于需要常閉電源開(kāi)關(guān)的故障安全電源應用來(lái)說(shuō)并不方便。為了將 AlGaN/GaN HEMT 轉換為常閉器件，廣泛采用兩種不同的方法：

• 使用共源共柵配置，其中采用快速且小尺寸的硅晶體管來(lái)驅動(dòng)常開(kāi)的 HEMT 共源共柵晶體管。

• 使用 p-GaN 柵極 — 在 AlGaN/GaN 堆棧上生長(cháng) p 摻雜 GaN 層，拉高能帶，同時(shí)耗盡柵極接觸下方的二維電子氣體 （2DEG）。

現代 GaN 功率開(kāi)關(guān)基于這兩種拓撲，它們在大尺寸硅襯底上制造。

盡管 NexGen 最近宣布將 GaN JFET 商業(yè)化，范圍為 700 至 1200 V，但 AlGaN/GaN HEMT 更廣泛的商業(yè)化和更高的成熟度是目前汽車(chē)應用的首選。

設計人員必須區分目前市場(chǎng)上的各種車(chē)輛拓撲結構。從電力電子的角度來(lái)看，這些拓撲中的每一個(gè)都包含不同的構建塊：

• 輕度混合動(dòng)力汽車(chē)：這些車(chē)輛具有通過(guò) DC-DC 轉換器連接的 48V 電池和 12V 電池。48 V 電池對車(chē)輛牽引沒(méi)有任何獨特的作用。那是因為電動(dòng)機只與內燃機一起使用。此外，這種拓撲無(wú)法對 48-V 電池進(jìn)行外部充電。高壓電池容量限制為 0.5 kWh。

• 傳統混合動(dòng)力汽車(chē)：這些車(chē)輛具有高壓電池（通常在 100 至 250 V 的電壓范圍內）與標準 12 V 電池一起使用。這兩者通過(guò) DC-DC 轉換器連接。即使沒(méi)有內燃機，電動(dòng)機也能夠在車(chē)輛牽引下運行。電池容量可高達 3 kWh，并且不會(huì )外接充電。

• 插電式混合動(dòng)力汽車(chē)：與傳統混合動(dòng)力車(chē)類(lèi)似（存在 12 V 標準電池和 DC-DC 轉換器，電動(dòng)機可以單獨工作），但使用更大、更高容量的牽引電池（電壓范圍高達 400 V，容量高達 18 kWh，可以外部充電）。

• 全電動(dòng)汽車(chē)：沒(méi)有內燃機，僅由電動(dòng)機牽引。電池電壓不低于 400 V，有些型號達到 800 V。電池容量通常高達 100 kWh，盡管最近的皮卡車(chē)應用的儲能容量要高得多。12V 電池和 DC-DC 轉換器仍然存在。

用于 48V 汽車(chē)應用的雙相降壓轉換器參考設計中的 GaN FET

在此汽車(chē)參考設計 （PMP23392） 中，3 有四個(gè)帶有集成驅動(dòng)器的 100V、97A LMG3100R017 GaN FET。GaN FET 配置在雙相、交錯、同步降壓控制器設計中。該轉換器具有 30A 的 5V 穩壓輸出，峰值電流為 60A。輸入電壓需要為 24 至 60 V，標稱(chēng)電壓為 48 V。熱圖像如圖 4 所示。

圖4. 在參考設計上進(jìn)行了熱測試，該參考設計具有 48 V 輸入和 5 V/30 A 輸出負載，在室溫下沒(méi)有任何氣流（即自然對流）。圖像是在達到熱平衡后捕獲的。（圖片由參考文獻 3 提供）

其他 GaN 汽車(chē)應用

• 汽車(chē) GaN FET 專(zhuān)為 HEV/EV 的高頻和穩健性而設計。5

• 2020 年，德州儀器 （TI） 推出了電子行業(yè)首款具有集成驅動(dòng)器、有源電源管理6 和保護功能的汽車(chē)級 GaN FET。

• Infineon 牽引逆變器將牽引電機的直流電壓轉換為交流電壓。GaN 晶體管實(shí)現了更高的能效，從而使車(chē)輛行駛里程延長(cháng)了 5% 以上（圖 5）。

• 采用 GaN 的 Infineon 高壓 DC-DC 轉換器非常高效，損耗更少，熱功率浪費更少。這些高功率密度 DC-DC 轉換器可減輕車(chē)輛重量并減小系統尺寸。

5. 圖為氮化鎵系統公司（現為英飛凌的一部分）的汽車(chē)牽引逆變器。（圖片由 Infineon 提供）

GaN 在電動(dòng)汽車(chē)系統設計中的興起

GaN 在 EV 設計中變得越來(lái)越重要。GaN 功率器件可實(shí)現高功率密度、更遠的車(chē)輛能力、更小的尺寸和更高的效率，從而降低電動(dòng)汽車(chē)系統的整體成本。