基于 GaN 功率器件的高功率和高功率密度電動汽車逆變器

提高功率密度的路線圖從降低傳導(dǎo)動態(tài)損耗開始。氮化鎵甚至比碳化硅更能顯著降低動態(tài)損耗，從而降低整體損耗。因此，這是未來實現(xiàn)高功率密度的一種方法。

第二個參數(shù)是整個逆變器堆棧的厚度；具有扁平薄型逆變器外殼的設(shè)計很重要。第三種可能是提高操作溫度。高溫路線圖要求器件在 175°C 下運行，將來甚至在 200°C 下運行。

對于第一個方面，降低損耗，我們需要轉(zhuǎn)向基于碳化硅和氮化鎵的功率器件。對于 EV 應(yīng)用，我們將討論 600 至 1,200 V 范圍內(nèi)的器件。在這里，碳化硅和氮化鎵器件甚至可以勝過 IGBT 等硅雙極器件，從而顯著降低傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。

出于幾個原因，這是正確的。首先，它們是多數(shù)載流子器件，這意味著它們沒有任何少數(shù)載流子存儲效應(yīng)。GaN 的橫向結(jié)構(gòu)使其在動態(tài)或開關(guān)損耗方面比碳化硅略有優(yōu)勢。與 SiC 等效物（垂直器件、反型溝道）相比，600-V GaN 器件的高遷移率 2D 電子氣通道可實現(xiàn)更低的溝道電阻，因此芯片尺寸更小，橫向結(jié)構(gòu)也允許更低的電容。

從導(dǎo)通電阻乘以輸入電容、輸出電容和反向恢復(fù)特性，我們發(fā)現(xiàn) 600V GaN 和 SiC 寬帶隙器件的性能優(yōu)于硅超結(jié)等效器件。R on × C iss表示您可以多快地驅(qū)動您的門回路。SiC 和 GaN 產(chǎn)生更快的柵極回路，降低了開關(guān)損耗，但 GaN 明顯優(yōu)于 SiC，部分原因是橫向結(jié)構(gòu)，部分原因是使用的設(shè)計規(guī)則是深亞微米 CMOS。第二個品質(zhì)因數(shù)是 R on × C oss。這再次降低了周轉(zhuǎn)損耗，因為電容將存儲能量，當(dāng)您打開設(shè)備時會耗散這些能量。三是反向恢復(fù)特性（R on× Q rr ); 在這里，碳化硅明顯好于硅，而 GaN 略好于 SiC。所以一起來看，基本消除了GaN和SiC中的反向恢復(fù)。在 20 kHz（電動汽車逆變器的典型頻率）下，開關(guān)損耗幾乎可以忽略不計，因此傳導(dǎo)損耗將開始在總損耗中占主導(dǎo)地位。只要有足夠的空間將設(shè)備放入您的 AV 逆變器中，這些 I 2 R 損耗就可以通過使用越來越多的并聯(lián)設(shè)備按比例減少，這當(dāng)然與功率密度直接相關(guān)。當(dāng)然，提高功率密度的一個重要參數(shù)是封裝形狀因數(shù)或器件的厚度。再次，我們認為 GaN 比碳化硅具有優(yōu)勢。

審核編輯 黃昊宇

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