GaN技術(shù)在電力電子中的應(yīng)用概述

逍遙設(shè)計自動化

引言
# y* ~1 u7 j* u氮化鎵（GaN）技術(shù)通過實現(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]。

GaN工作原理基礎(chǔ)
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圖1說明了激光雷達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)建點云數(shù)據(jù)。
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圖2展示了激光器在室溫（藍色）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。

8 n& g. ~, {6 Y7 r6 l8 ODC-DC轉(zhuǎn)換應(yīng)用
& y; u% }  c3 K2 N( C, d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。
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圖3描繪了脈沖激光驅(qū)動線路的基本結(jié)構(gòu)，顯示了激光器運行所需的基本組件和連接。
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( ]7 n1 L+ w  I1 B
圖4展示了分立激光驅(qū)動器解決方案的詳細激光功率和開啟柵極驅(qū)動環(huán)路，說明了線路設(shè)計的復(fù)雜性。

電機驅(qū)動應(yīng)用
在電機驅(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，實現(xiàn)更平穩(wěn)的運行和更高的系統(tǒng)效率。

圖5顯示了EPC9173板在無刷直流電機驅(qū)動示例應(yīng)用中的方框圖，展示了電機驅(qū)動系統(tǒng)中各組件的集成。


5 `/ Y) ^  e& L# B6 E8 J" E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。
5 Q1 V, e/ k1 b1 o
; g* D  a+ B: k' j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。
6 u. z+ W& E: k
圖7對比了(a)典型硅MOSFET和(b)增強型GaN器件的橫截面結(jié)構(gòu)，突出顯示了結(jié)構(gòu)差異。


& A4 ^: H% Y/ I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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8 ^# T9 O8 y- Y: N5 q  F電動汽車應(yīng)用
& g' p) c& R7 r8 F# f; S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)造了機會。
3 V+ b" s* ]3 ?1 S1 r; T2 l# e
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。
3 h  F9 T2 {8 H7 k

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)校正線路中的實現(xiàn)。
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( }3 w" C5 G' P$ Y* k3 i制造與發(fā)展展望
! Y6 i1 {" @# Q$ \GaN器件制造需要專業(yè)的代工服務(wù)，面臨獨特的挑戰(zhàn)。行業(yè)持續(xù)改進生產(chǎn)工藝，在保持高質(zhì)量標準的同時降低成本。
8 w& q- K) T( J  N7 ?
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。
& f1 i8 N- e/ R, }( [0 t! T
GaN技術(shù)在消費電子、汽車和航空航天系統(tǒng)等各個應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展。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。

通過精心的設(shè)計考慮和適當?shù)膶嵤�，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
[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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