基于 GaN 功率器件的高功率和高功率密度电动汽车逆变器

提高功率密度的路线图从降低传导动态损耗开始。氮化镓甚至比碳化硅更能显着降低动态损耗，从而降低整体损耗。因此，这是未来实现高功率密度的一种方法。

第二个参数是整个逆变器堆栈的厚度；具有扁平薄型逆变器外壳的设计很重要。第三种可能是提高操作温度。高温路线图要求器件在 175°C 下运行，将来甚至在 200°C 下运行。

对于第一个方面，降低损耗，我们需要转向基于碳化硅和氮化镓的功率器件。对于 EV 应用，我们将讨论 600 至 1,200 V 范围内的器件。在这里，碳化硅和氮化镓器件甚至可以胜过 IGBT 等硅双极器件，从而显着降低传导损耗和开关损耗。

出于几个原因，这是正确的。首先，它们是多数载流子器件，这意味着它们没有任何少数载流子存储效应。GaN 的横向结构使其在动态或开关损耗方面比碳化硅略有优势。与 SiC 等效物（垂直器件、反型沟道）相比，600-V GaN 器件的高迁移率 2D 电子气通道可实现更低的沟道电阻，因此芯片尺寸更小，横向结构也允许更低的电容。

从导通电阻乘以输入电容、输出电容和反向恢复特性，我们发现 600V GaN 和 SiC 宽带隙器件的性能优于硅超结等效器件。R on × C iss表示您可以多快地驱动您的门回路。SiC 和 GaN 产生更快的栅极回路，降低了开关损耗，但 GaN 明显优于 SiC，部分原因是横向结构，部分原因是使用的设计规则是深亚微米 CMOS。第二个品质因数是 R on × C oss。这再次降低了周转损耗，因为电容将存储能量，当您打开设备时会耗散这些能量。三是反向恢复特性（R on× Q rr ); 在这里，碳化硅明显好于硅，而 GaN 略好于 SiC。所以一起来看，基本消除了GaN和SiC中的反向恢复。在 20 kHz（电动汽车逆变器的典型频率）下，开关损耗几乎可以忽略不计，因此传导损耗将开始在总损耗中占主导地位。只要有足够的空间将设备放入您的 AV 逆变器中，这些 I 2 R 损耗就可以通过使用越来越多的并联设备按比例减少，这当然与功率密度直接相关。当然，提高功率密度的一个重要参数是封装形状因数或器件的厚度。再次，我们认为 GaN 比碳化硅具有优势。

审核编辑 黄昊宇