车载 GaN FET 可实现 HEVEV 的高频和稳健性设计

1.前言

为了解决消费者对电动汽车 (EV) 普及的里程、充电时间和价格等问题，世界各地的汽车制造商都在增加电池容量而不增加尺寸、重量或组件成本。我正在寻找一种加快速度的方法充电。

电动汽车车载充电器 (OBC) 允许直接从家用交流电源插座和公共或商业电源为电池充电，正在经历快速变化。虽然由于充电速度的需要，功率水平从3.6kW上升到22kW，但OBC需要安装在现有的机械外壳中，这样即使一直安装在车上也不影响行驶里程。我有. 此外，还有将OBC的功率密度从目前的不足2kW/L提高到4kW/L以上的举措。

2.开关频率的影响

OBC 基本上是一个开关模式电源转换器。它的大部分重量和尺寸由无源元件组成，例如变压器、电感器、滤波器和电容器以及散热器。增加开关频率意味着减小无源元件的尺寸。但是，开关频率越高，功率 MOSFET 和绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 等开关元件的功耗就越高。

在减小尺寸时，需要进一步降低功率损耗，并使零件保持在相同的温度。这是因为尺寸越小，可用于散热的表面积就越小。这种高功率密度需要同时提高开关频率和效率。使用基于硅的功率器件很难实现这一挑战。

提高开关速度（器件端子之间电压和电流变化的速度）从本质上减少了开关过程中的能量损失。这是必要条件，否则会限制最大实用频率。具有较低端子间寄生电容、精心设计的低电感电路路径配置的功率器件是未来所追求的。

3.与硅器件相比的优势

使用氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等宽带隙半导体制造的功率器件，由于它们的物理特性，在保持可比的导通电阻和击穿电压的同时，实现了低容量。更高的击穿临界电场（GaN 比硅高 10 倍）和更高的电子迁移率（GaN 比硅高 33% 或更多）有效地平衡了较低的导通电阻和较低的电容。因此，与硅相比，GaN 和 SiC FET 可以以更高的开关速度运行，而损耗基本上更低。

氮化镓的优势

· GaN 的低栅极电容可加快硬开关期间的导通和关断速度，并降低交叉功率损耗。GaN 的栅极电荷性能指数为 1nC-Ω。

· GaN 的低输出电容加速了软开关期间的漏源转换（尤其是在负载（磁化）电流低时）。例如，标准 GaN FET 的输出电荷性能指数为 5nC-Ω（硅为 25nC-Ω）。这是提高频率和减少循环功率损耗所必需的，这使设计人员可以使用更短的死区时间和更低的磁化电流。

· 与硅和 SiC 功率 MOSFET 不同，GaN 晶体管在结构中基本上没有体二极管，因此没有反向恢复损耗。这使得新的高效架构（例如图腾柱无桥功率因数校正）能够以传统硅器件无法实现的几千瓦级别投入实际使用。

所有这些优势使 GaN 能够在更高的开关频率下实现高效率，如图 1 所示。额定 650V GaN FET 支持高达 10kW（并行堆叠时高达 22kW）的应用，包括用于服务器的 AC/DC 电源、用于 EV 和 OBC 的高压 DC/DC 转换器。具有高电流传输能力的高达 1.2 kV 的 SiC 器件适用于电动汽车牵引逆变器和大型三相电网转换器。

图1 : GaN在实现超高频应用方面超越了所有技术

4.高频设计挑战

切换数百伏电压时的标准上升和下降时间为 10 ns，需要仔细设计以避免寄生杂散电感的影响。FET 和驱动器之间的公共源极和栅极环路电感起着重要作用，包括：

· 共源电感限制了漏源瞬态电压（dV / dt）和瞬态电流（dI / dt），导致开关速度变慢，硬开关时重叠损耗，软开关时间过渡时间增加。

· 栅极环路电感限制了栅极电流的 dI/dt，这会减慢开关速度并增加硬开关时的重叠损耗。其他不利影响包括降低镜像导通电阻、额外功率损耗的风险，以及最小化栅极隔离器中的电压过应力（适当地）的设计挑战。如果不降低，可靠性将下降。

因此，工程师倾向于依赖铁氧体磁珠和阻尼电阻器，这会降低开关速度并无法实现提高频率的目标。虽然 GaN 和 SiC 器件本质上适合高频操作，但必须克服系统级设计挑战才能充分利用它们。以易用性、稳健性和设计灵活性为出发点的明智设计产品可以加速技术采用。

5.具有集成驱动器、保护、报告和电源管理的GaN FET

德州仪器 (TI) 的全集成 650V 汽车 GaN FET 旨在提供 GaN 的高效率、高频开关优势，而没有设计或组件选择缺陷。将 GaN FET 和驱动器紧密集成到低电感 QFN（四方扁平无引线）封装中，显着降低了寄生栅极环路电感，从而导致栅极过应力和寄生镜像导通问题。不仅消除了它，而且非常低的常见源电感允许快速切换并减少损耗。

“LMG3522R030-Q1”与C2000™实时微机的先进控制功能相结合，在电源转换器中实现了超过1MHz的开关频率，现有的硅和与解决方案相比，SiC 磁性元件的尺寸减小了 59%。

与分立式 FET 相比，100V/ns 以上的域源压摆率降低了 67% 的开关损耗，而 30V/ns 至 150V/ns 的调谐范围在效率和电磁干扰之间进行权衡。它可以处理和设计下游产品风险降低。内置电流保护增加了稳健性，同时增加了各种新功能。除了用于有源电源管理和退化状态监控的数字脉宽调制温度报告之外，LMG3525R030-Q1 提供的理想二极管模式消除了对自适应死区时间控制的需要。此外，12mm x 12mm 顶部冷却 QFN 封装增强了热管理。