车载充电器（OBC）氮化镓（GaN）驱动（高压高功率）设计（第四篇）-编程知识

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1、GaN FET概念

GaN FET，全称为Gallium Nitride Field-Effect Transistor（氮化镓场效应晶体管），是一种采用氮化镓（Gallium Nitride, GaN）材料制作的新型功率半导体器件。相较于传统的硅基MOSFET或IGBT等功率开关器件，GaN FET具有以下显著优势：高频性能优异：氮化镓材料拥有更高的电子迁移率和饱和漂移速度，因此GaN FET在高频应用中的表现更佳，能够实现更高的工作频率，有助于缩小系统尺寸、降低电感和电容等无源元件的体积。低导通电阻：GaN FET的导通电阻（Rds(on)）远低于同等规格的硅基器件，这有助于减少传导损耗，提高能效，特别适合于高效率电源转换器、逆变器等领域。更快的开关速度：由于其极小的输出电荷和输入电荷，GaN FET具有非常快的开关速度，从而降低了开关损耗，尤其是在高频开关操作中，能够显著提升系统的整体效率。耐高压能力：虽然GaN器件起步时主要应用于低压领域，但随着技术的发展，现在已有适用于更高电压等级的GaN器件出现，它们能在较高的电压下保持良好的性能。热稳定性强：氮化镓材料具有很高的禁带宽度，这意味着GaN FET在高温环境下仍能保持稳定的工作状态，有利于简化散热设计并提高可靠性。正因为这些优势，GaN FET在电动汽车充电设备、数据中心服务器电源、太阳能逆变器、无线充电以及军事和航空航天等领域的高功率密度和高效率电力转换应用中得到了广泛的关注和使用。

2、GaN FET优势

由于结构差异， GaN FET 具有一些主要优势。 GaN FET 具有横向结构，有助于实现低栅极电容、栅极电荷、输出电荷和输出电容。这可以实现更高的开关速度，同时减少栅极驱动损耗和开关损耗。 GaN FET 还具有低 RDSON，可帮助减少传导损耗。另一个优势是 GaN FET 具有零反向恢复电荷，因此无反向恢复损耗，并有助于减少开关节点上的振铃，降低电磁干扰。这里列举了一些其他 GaN 优势。 GaN FET 具有低阈值电压，这是由于其横向结构、低 CGD、及其阈值和温度之间近乎平坦的关系所致。低阈值电压意味着低功率耗散，从而实现更高效的开关。另一个好处是，一旦达到栅极阈值电压，栅极下方将有足够的电子形成导电通道。这消除了参与传导的少数载流子，可帮助确保无反向恢复损耗。

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3、GaN FET栅极电压范围

可以看到 GaN 具有有限的栅极电压范围。运行导通栅极电压建议的典型值为 5V，最大值通常是 6V。关断时，建议将栅极电压设置为 -2V，避免可能由于高电压变化导致的不良导通事件。这些值可能会因应用和使用的器件而异，良好的布局可帮助减少寄生效应，在设计中实现出色性能。

4、GaN FET具体的应用举例

GaN FET的具体应用举例非常广泛，以下是一些典型的应用领域：电源转换系统：高效DC-DC转换器：在48V汽车电子架构、数据中心服务器电源以及工业电源中，GaN FET可以显著提高开关频率，减小磁性元件和电容器的体积，实现高效率、小型化和轻量化的电源模块设计。无线充电技术：由于其高频性能好和效率高的特点，GaN FET被应用于各种无线充电解决方案中，例如电动汽车无线充电系统和消费电子产品无线充电器。逆变器与电机驱动：太阳能逆变器：在太阳能光伏系统的功率转换部分，GaN FET能够提升逆变器的效率，减少能量损耗，有助于提高整个系统的能源回收率。电动车辆的牵引逆变器：用于电动车驱动电机的控制，通过使用GaN FET可以实现更快的开关速度和更高的功率密度，从而降低能耗和成本。射频（RF）与微波设备：雷达系统：GaN FET在雷达发射端作为高效功率放大器，可以提供较高的输出功率和更好的线性度，适用于车载雷达（如高级驾驶辅助系统ADAS中的激光雷达）和其他高要求的射频通信系统。航空航天及国防应用：美国固态设备公司（SSDI）推出的SGF46E70系列GaN FET，可用于高压DC-DC转换、点负载（PoL）转换器、电机控制器等关键领域，满足航空航天和国防工业对高性能、高可靠性的需求。工业自动化与机器人：在精密的工业机器人和自动化设备的电力控制系统中，GaN FET能有效降低功耗并提高响应速度，对于提升整体系统的精度和运行效率至关重要。综上所述，GaN FET凭借其卓越的性能，正在逐步取代或补充传统硅基半导体器件，在众多行业和应用场合发挥着重要作用。

5、车载充电器的GaN FET的具体应用

车载充电器（OBC, On-Board Charger）是电动汽车（EV）的重要组成部分，负责将电网的交流电转换为直流电并储存在车辆电池中。GaN FET在车载充电器中的具体应用优势和应用场景包括：高效能转换：GaN FET由于其低导通电阻和快速开关特性，能够显著降低电力转换过程中的功率损耗，提高充电效率。这直接转化为更快的充电速度和更少的热量产生，使得车载充电器能在更小的空间内实现更高的功率密度。体积小型化：通过采用GaN技术，车载充电器设计可以减小散热片和其他冷却设备的尺寸，从而使整个充电系统的体积更紧凑、重量更轻，这对于电动车有限的内部空间来说至关重要。高工作频率：GaN FET允许车载充电器在高频下运行，从而减少无源元件如电感和电容等的体积，并简化了电源滤波电路的设计。高工作频率还意味着可以使用更高效率的小型变压器，进一步提升整体性能。可靠性增强：GaN FET的耐高温性更好，热管理要求相对较低，因此能够提升车载充电器在各种环境条件下的可靠性和使用寿命。延长续航里程：由于充电效率提高，相同的电网输入能量能够转换成更多的电池存储能量，间接帮助延长电动汽车的行驶里程。