電動汽車車載充電器(OBC)正經曆著飛速的發展，它使消費者可以在家中、公共充電樁或商業網點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
，OBC必須安裝在現有機械外殼內並且必須始終隨車攜帶
，以免影響行駛裏程。OBC功率密度最終將從現在的低於2kW/L增加到高於4kW/L。

 

開關頻率的影響

 

OBC本質上是一個開關模式的電源轉換器。它主要由變壓器、電感器、濾(lv)波(bo)器(qi)和(he)電(dian)容(rong)器(qi)等(deng)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)以(yi)及(ji)散(san)熱(re)器(qi)組(zu)成(cheng)

，這(zhe)些(xie)器(qi)件(jian)構(gou)成(cheng)了(le)其(qi)重(zhong)量(liang)和(he)尺(chi)寸(cun)的(de)大(da)部(bu)分(fen)。增(zeng)加(jia)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)需(xu)要(yao)縮(suo)小(xiao)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)尺(chi)寸(cun)。但(dan)是(shi)
，較(jiao)高(gao)的(de)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)會(hui)在(zai)功(gong)率(lv)金(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)半(ban)導(dao)體(ti)(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管等開關元件中造成較高的功耗。

 

縮(suo)小(xiao)尺(chi)寸(cun)需(xu)要(yao)進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)才(cai)能(neng)保(bao)持(chi)器(qi)件(jian)溫(wen)度(du)不(bu)變(bian)，因(yin)為(wei)縮(suo)小(xiao)尺(chi)寸(cun)後(hou)散(san)熱(re)麵(mian)積(ji)隨(sui)之(zhi)減(jian)小(xiao)。需(xu)要(yao)同(tong)時(shi)增(zeng)加(jia)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)和(he)效(xiao)率(lv)才(cai)能(neng)形(xing)成(cheng)這(zhe)種(zhong)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)。這(zhe)帶(dai)來(lai)了(le)巨(ju)大(da)的(de)設(she)計(ji)難(nan)題(ti)
，而(er)矽(gui)基(ji)電(dian)源(yuan)器(qi)件(jian)很(hen)難(nan)解(jie)決(jue)這(zhe)一(yi)難(nan)題(ti)。

 

增加開關速度（器件端子之間電壓和電流的變化速度）將從根本上減少開關能量損耗。這一過程必不可少，否則實際的最大頻率將受到限製。在端子之間具有較低寄生電容（在低電感電路布線中精心設計）的電源器件便可以順利實現此目的。

 

優於矽器件的性能

 

使用寬帶隙半導體
，例如氮化镓(GaN)和碳化矽(SiC)構建的電源器件具有獨特的物理特性，可顯著降低電容

，同時確保同等的導通電阻和擊穿電壓。更高的擊穿臨界電場（GaN比矽高10倍）和更高的電子遷移率（GaN比矽高33%）可有效實現更低的導通電阻和更低的電容。這樣一來，GaN和SiC FET與矽相比本身就可以在更高的開關速度下工作
，並且損耗更低。

 

GaN的優勢尤其明顯：

 

●     GaN的低柵極電容可在硬開關期間實現更快的導通和關斷，從而減少了交叉功率損耗。GaN的柵極電荷品質因數為1nC-Ω。

 

●     GaN的低輸出電容可在軟開關期間實現快速的漏源轉換
，在低負載（磁化）電流下尤其如此。例如，典型 GaN FET的輸出電荷品質因數為5nC-Ω，而矽器件為25nC-Ω。借助這些器件
，設計人員可以使用較小的死區時間和低磁化電流，而它們對於增加頻率和減少循環功率損耗必不可少。

 

●     與矽和SiC電源MOSFET不同，GaN晶jing體ti管guan結jie構gou中zhong本ben身shen沒mei有you體ti二er極ji管guan，因yin此ci沒mei有you反fan向xiang恢hui複fu損sun耗hao。這zhe使shi得de圖tu騰teng柱zhu無wu橋qiao功gong率lv因yin數shu校xiao正zheng等deng新xin型xing高gao效xiao架jia構gou可ke以yi在zai數shu千qian瓦wa時shi變bian得de可ke行xing，這zhe在zai以yi前qian使shi用yong矽gui器qi件jian時shi是shi無wu法fa實shi現xian的de。

 

所有這些優點使設計人員能夠使用GaN在更高的開關頻率下實現高效率，如圖1所示。額定電壓為650V的GaN FET可支持最高10kW的應用
，例如服務器交流/直流電源
、電動汽車高壓直流/直流轉換器和OBC（並聯堆疊可達到22kW）。SiC器件最高可提供1.2kV的電壓
，並具有高載流能力
，非常適合用於電動汽車牽引逆變器和大型三相電網逆變器。

 

 

圖 1：GaN在支持超高頻應用方麵優於所有技術

 

高頻設計挑戰

 

在開關頻率達到數百伏特時，需要對典型的10ns上升和下降時間進行精心設計
，以避免寄生電感效應。FET和驅動器之間的共源電感和柵極回路電感具有以下關鍵影響：

 

●     共源電感限製漏源瞬態電壓(dV/dt)和瞬態電流(dI/dt)
，從而降低開關速度
，增加硬開關期間的重疊損耗和軟開關期間的轉換時間。

 

●     柵極回路電感限製柵極電流dI/dt，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)速(su)度(du)，增(zeng)加(jia)硬(ying)開(kai)關(guan)期(qi)間(jian)的(de)重(zhong)疊(die)損(sun)耗(hao)。其(qi)他(ta)負(fu)麵(mian)影(ying)響(xiang)包(bao)括(kuo)增(zeng)加(jia)對(dui)米(mi)勒(le)導(dao)通(tong)效(xiao)應(ying)的(de)易(yi)感(gan)性(xing)，形(xing)成(cheng)額(e)外(wai)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)風(feng)險(xian)
，增(zeng)加(jia)更(geng)大(da)程(cheng)度(du)減(jian)小(xiao)柵(zha)極(ji)絕(jue)緣(yuan)體(ti)電(dian)壓(ya)過(guo)應(ying)力(li)的(de)設(she)計(ji)難(nan)題(ti)，如(ru)果(guo)不(bu)適(shi)當(dang)緩(huan)解(jie)過(guo)應(ying)力(li)，則(ze)會(hui)降(jiang)低(di)可(ke)靠(kao)性(xing)。

 

這樣一來，工程師可能需要使用鐵氧體磁珠和阻尼電阻
，但是這些會降低開關速度並與增加頻率的目標背道而馳。盡管GaN和SiCqijianbenshenjiushiyongyujinxinggaopingongzuo，danyaochongfenfahuitamendeyoushirengxuyaokefuxitongjishejinanti。ruguonenggouhuodeshejijingliangdechanpin，ergaichanpinjianguleyiyongxing、穩定性和設計靈活性的話，則可以加快對該技術的應用。

 

具有集成式驅動器、保護和功耗管理功能的GaN FET

 

德州儀器(TI)的650V完全集成式汽車類GaN FET具有GaN的高效、高頻開關優勢
，且沒有相關的設計和器件選擇缺陷。GaN FET和驅動器緊密集成在低電感四方扁平無引線(QFN)封feng裝zhuang中zhong


，大da大da降jiang低di了le寄ji生sheng柵zha極ji回hui路lu電dian感gan
，讓rang設she計ji人ren員yuan無wu需xu擔dan憂you柵zha極ji過guo應ying力li和he寄ji生sheng米mi勒le導dao通tong效xiao應ying，並bing且qie共gong源yuan電dian感gan非fei常chang低di
，可ke實shi現xian快kuai速su開kai關guan，減jian少shao損sun耗hao。

 

LMG3522R030-Q1 與 C2000™ 實時微控製器中的高級控製功能（如 TMS320F2838x 或 TMS320F28004x相結合，可在功率轉換器中實現高於1MHz的開關頻率
，與現有的矽和SiC解決方案相比，其磁體尺寸減小了59％。

 

與分立式FET相比
，演示中大於100V/ns 的漏源壓擺率可降低67%的開關損耗
，而其可調節性介於 30-150V/ns之(zhi)間(jian)，可(ke)權(quan)衡(heng)效(xiao)率(lv)與(yu)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)
，從(cong)而(er)降(jiang)低(di)下(xia)遊(you)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)風(feng)險(xian)。集(ji)成(cheng)式(shi)電(dian)流(liu)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)確(que)保(bao)了(le)穩(wen)健(jian)性(xing)，並(bing)增(zeng)加(jia)了(le)許(xu)多(duo)新(xin)功(gong)能(neng)，包(bao)括(kuo)用(yong)於(yu)管(guan)理(li)有(you)源(yuan)功(gong)率(lv)的(de)數(shu)字(zi)脈(mai)寬(kuan)調(tiao)製(zhi)溫(wen)度(du)報(bao)告(gao)
、運行狀況監測和理想二極管模式（如 LMG3525R030-Q1 所提供），讓設計人員無需實施自適應死區時間控製。12mm×12mm的頂部冷卻QFN封裝還可以增強散熱管理。

 

TI GaN器件通過了4,000多萬小時的器件可靠性測試，並且10年壽命的故障率小於1，可滿足汽車製造商所期望的耐用性。TI GaN在普遍可用的矽基板上構建，並使用所有內部製造設施的現有工藝節點製造，與基於SiC或藍寶石基板的其他技術不同，它具有確定的供應鏈和成本優勢。在線訪問TI GaN，了解有關汽車類GaN FET的更多信息。

 

 

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