GaN技術(shù)在電力電子中的應(yīng)用概述

逍遙設(shè)計(jì)自動化

引言
氮化鎵（GaN）技術(shù)通過實(shí)現(xiàn)更高效率、更快開關(guān)速度和更高功率密度，顯著提升了電力電子性能。與傳統(tǒng)硅器件相比，GaN技術(shù)具有明顯優(yōu)勢。本文探討GaN技術(shù)在各個領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用[1]。
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1 D( k; X: n* [- F2 [* J' a0 eGaN工作原理基礎(chǔ)
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, f) \4 D% T* i# g: w6 a圖1說明了激光雷達(dá)3D成像系統(tǒng)的工作原理，展示了光線發(fā)射、反射和探測過程，以及如何創(chuàng)建點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

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6 d, V: X: J# Q+ _1 ?6 P5 k圖2展示了激光器在室溫（藍(lán)色）和高溫（紅色）條件下的特性曲線，包括光功率與電流、電壓與電流、效率與電流三個關(guān)鍵參數(shù)的對比。

DC-DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用
  [8 n+ `7 e( l3 q: t$ ^! C在DC-DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用中，GaN器件在降壓轉(zhuǎn)換器和LLC轉(zhuǎn)換器方面表現(xiàn)出色。對于汽車48V/12V應(yīng)用，GaN場效應(yīng)晶體管比同類MOSFET具有四倍優(yōu)異的性能指標(biāo)。

. Z1 u: k+ ?+ G) Y7 z1 J0 ~* W圖3描繪了脈沖激光驅(qū)動線路的基本結(jié)構(gòu)，顯示了激光器運(yùn)行所需的基本組件和連接。


2 C7 h+ a; h" g5 J: Q圖4展示了分立激光驅(qū)動器解決方案的詳細(xì)激光功率和開啟柵極驅(qū)動環(huán)路，說明了線路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

4 m+ ]3 A8 Y. p電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用
' C  _! p! X; b- L+ \' i在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，GaN晶體管顯著提高了性能和效率。優(yōu)異的開關(guān)性能有助于減少死區(qū)時間并提高PWM頻率，實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的運(yùn)行和更高的系統(tǒng)效率。
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  Z1 D+ K& t. k$ Y/ l7 M. z圖5顯示了EPC9173板在無刷直流電機(jī)驅(qū)動示例應(yīng)用中的方框圖，展示了電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中各組件的集成。

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; {6 \& e- s) ^$ f+ a圖6展示了EPC9186三相逆變器，每個開關(guān)并聯(lián)四個EPC2302器件，展示了高電流應(yīng)用的并聯(lián)配置。
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航天應(yīng)用
在航天應(yīng)用中，GaN器件相比硅MOSFET表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻射性能。在伽馬輻射、中子輻射和重離子轟擊等各類輻射下，GaN器件保持穩(wěn)定性能。
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4 y1 b8 p" x# _圖7對比了(a)典型硅MOSFET和(b)增強(qiáng)型GaN器件的橫截面結(jié)構(gòu)，突出顯示了結(jié)構(gòu)差異。
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圖8展示了eGaN器件在500 kRad輻射測試下的結(jié)果，證明了抗輻射硬度。
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! {& a0 Z4 e% u; Q6 f: j1 R電動汽車應(yīng)用
在電動汽車應(yīng)用中，GaN技術(shù)推動了高效率功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)展。800V架構(gòu)的轉(zhuǎn)型為GaN器件在車載充電器和牽引逆變器方面創(chuàng)造了機(jī)會。

圖9概述了電動汽車動力系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，展示了各種功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的集成。


圖10說明了三電平FCML在800V電動汽車高功率車載充電器前端功率因數(shù)校正線路中的實(shí)現(xiàn)。

制造與發(fā)展展望
5 u- F% I, p; G& f0 MGaN器件制造需要專業(yè)的代工服務(wù)，面臨獨(dú)特的挑戰(zhàn)。行業(yè)持續(xù)改進(jìn)生產(chǎn)工藝，在保持高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的同時降低成本。
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圖11顯示了(a)開發(fā)的GaN三電平FCML轉(zhuǎn)換器硬件和(b)熱測試結(jié)果，展示了散熱管理能力。
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; u+ k8 n$ z. n) z% GGaN技術(shù)在消費(fèi)電子、汽車和航空航天系統(tǒng)等各個應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。隨著制造工藝日益成熟和成本下降，GaN器件在下一代電力電子中的作用將更加顯著。

9 ]0 j7 @  M  B" I7 B3 f' c! `. M通過精心的設(shè)計(jì)考慮和適當(dāng)?shù)膶?shí)施，GaN技術(shù)相比傳統(tǒng)硅器件具有顯著優(yōu)勢。更高的效率、更快的開關(guān)速度和更高的功率密度使GaN成為現(xiàn)代電力電子應(yīng)用的理想選擇。
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參考文獻(xiàn)
7 E9 c. j6 Z9 l- G7 d[1] M. Di Paolo Emilio, Ed., "GaN Technology Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion," in Applications of GaN Technology, Switzerland: Springer Nature, 2024, pp. 111-192. doi: 10.1007/978-3-031-63238-9_5

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