基于GaN的汽车应用的最新进展是什么？

电动汽车 （EV） 越来越受欢迎，因为精明的消费者，尤其是在加利福尼亚州，认识到出色的加速性能的优势，例如，当红绿灯变绿时，汽油动力汽车可能会被尘土甩砸。这是因为电动机在驾驶员踩下油门的那一刻就会产生峰值扭矩。然而，与内燃机 （ICE） 汽车相比，电动汽车的主要动机是能源效率。

EV 车载电池充电器

EV1 的车载电池充电器 （OBC） 完全能够为来自交流电网的高压牵引电池充电（图 1）。停放的车辆插入 EV 1 级和 2 级交流充电站之一，这些充电站出现在停车场、家庭、公司、购物中心和点缀景观的其他地点。

图1. 图为电动汽车的车载电池充电器示意图。（图片由参考文献 1 提供）

Canoo 的 7.2 kW OBC

Canoo 的这一解决方案使用了 Infineon（前身为 GaN Systems）的功率半导体。它具有 98.7% 的功率因数校正 （PFC） 峰值效率，具有低开关损耗、小尺寸和高效的电源管理（图 2）。

图2. 这是 Canoo 版本的 OBC，为 7.2 kW。（图片由 Infineon（前身为 GaN Systems）提供）

基于 GaN 的 6.6kW OBC 参考设计

此基于氮化镓 （GaN） 的双向 OBC 参考设计7 采用交流电网的通用单相输入。它为输入电压为 208 V AC 的负载提供全输出功率 （6.6 kW）（图 3）。

图3. 这种双向 6.6 kW OBC 旨在为电池提供最高功率。（图片由 Reference 7 提供）

此参考设计的关键特性是为汽车电池提供最高功率。此外，还有高于 60 W/in 的功率密度水平。3 （3.66 kW/L），牵引电池电压范围为 250 至 450 V。此 OBC 设计将支持双向作。

PFC 级和 DC-DC 转换器采用 30mΩ、符合汽车标准的 650V LMG3522R030-Q1 GaN FET，由德州仪器 （TI） C2000 TMS320F28388D实时微控制器 （MCU） 控制。转换器使用 12 个 GaN FET，而用于无桥输入整流器的低频 FET 只是普通硅 MOSFET。

用于汽车的硅基氮化镓功率 HEMT

GaN 高电子迁移率晶体管 （HEMT） 基于 AlGaN/GaN 结构。2 由于电子通道的特性，这使得在高开关频率下实现低导通电阻成为可能。

AlGaN/GaN HEMT 是一种常开器件。但是，这对于需要常闭电源开关的故障安全电源应用来说并不方便。为了将 AlGaN/GaN HEMT 转换为常闭器件，广泛采用两种不同的方法：

• 使用共源共栅配置，其中采用快速且小尺寸的硅晶体管来驱动常开的 HEMT 共源共栅晶体管。

• 使用 p-GaN 栅极 — 在 AlGaN/GaN 堆栈上生长 p 掺杂 GaN 层，拉高能带，同时耗尽栅极接触下方的二维电子气体 （2DEG）。

现代 GaN 功率开关基于这两种拓扑，它们在大尺寸硅衬底上制造。

尽管 NexGen 最近宣布将 GaN JFET 商业化，范围为 700 至 1200 V，但 AlGaN/GaN HEMT 更广泛的商业化和更高的成熟度是目前汽车应用的首选。

设计人员必须区分目前市场上的各种车辆拓扑结构。从电力电子的角度来看，这些拓扑中的每一个都包含不同的构建块：

• 轻度混合动力汽车：这些车辆具有通过 DC-DC 转换器连接的 48V 电池和 12V 电池。48 V 电池对车辆牵引没有任何独特的作用。那是因为电动机只与内燃机一起使用。此外，这种拓扑无法对 48-V 电池进行外部充电。高压电池容量限制为 0.5 kWh。

• 传统混合动力汽车：这些车辆具有高压电池（通常在 100 至 250 V 的电压范围内）与标准 12 V 电池一起使用。这两者通过 DC-DC 转换器连接。即使没有内燃机，电动机也能够在车辆牵引下运行。电池容量可高达 3 kWh，并且不会外接充电。

• 插电式混合动力汽车：与传统混合动力车类似（存在 12 V 标准电池和 DC-DC 转换器，电动机可以单独工作），但使用更大、更高容量的牵引电池（电压范围高达 400 V，容量高达 18 kWh，可以外部充电）。

• 全电动汽车：没有内燃机，仅由电动机牵引。电池电压不低于 400 V，有些型号达到 800 V。电池容量通常高达 100 kWh，尽管最近的皮卡车应用的储能容量要高得多。12V 电池和 DC-DC 转换器仍然存在。

用于 48V 汽车应用的双相降压转换器参考设计中的 GaN FET

在此汽车参考设计 （PMP23392） 中，3 有四个带有集成驱动器的 100V、97A LMG3100R017 GaN FET。GaN FET 配置在双相、交错、同步降压控制器设计中。该转换器具有 30A 的 5V 稳压输出，峰值电流为 60A。输入电压需要为 24 至 60 V，标称电压为 48 V。热图像如图 4 所示。

图4. 在参考设计上进行了热测试，该参考设计具有 48 V 输入和 5 V/30 A 输出负载，在室温下没有任何气流（即自然对流）。图像是在达到热平衡后捕获的。（图片由参考文献 3 提供）

其他 GaN 汽车应用

• 汽车 GaN FET 专为 HEV/EV 的高频和稳健性而设计。5

• 2020 年，德州仪器 （TI） 推出了电子行业首款具有集成驱动器、有源电源管理6 和保护功能的汽车级 GaN FET。

• Infineon 牵引逆变器将牵引电机的直流电压转换为交流电压。GaN 晶体管实现了更高的能效，从而使车辆行驶里程延长了 5% 以上（图 5）。

• 采用 GaN 的 Infineon 高压 DC-DC 转换器非常高效，损耗更少，热功率浪费更少。这些高功率密度 DC-DC 转换器可减轻车辆重量并减小系统尺寸。

5. 图为氮化镓系统公司（现为英飞凌的一部分）的汽车牵引逆变器。（图片由 Infineon 提供）

GaN 在电动汽车系统设计中的兴起

GaN 在 EV 设计中变得越来越重要。GaN 功率器件可实现高功率密度、更远的车辆能力、更小的尺寸和更高的效率，从而降低电动汽车系统的整体成本。