【摘要】簡單回顧氮化鎵與硅基MOS管相比，氮化鎵結構的特性。然后從消費類、工業領域以及汽車領域介紹了氮化鎵器件的應用技術情況，重點介紹了氮化鎵當前的主要應用領域，消費類快充以及汽車領域的OBC。

一、工藝結構特性情況

工藝結構決定了應用，氮化鎵HMET的結構和硅基MOSFET相比，仍存在驅動電壓范圍窄、價格貴等問題。

表 1 硅基MOSFET和氮化鎵粗略對比

資料來源：公開資料應用研究院整理

在具體應用場景中，需充分利用氮化鎵器件的優點，在相同價格或更高單價下，性能達到更優。

表 2 開關器件的硅基MOSFET與氮化鎵HEMT

30多年前，硅基MOSFET和BJT對比，存在“對噪聲敏感、更容易遭到破壞”等問題，場景類似現在的氮化鎵和硅基MOSFET的對比。

氮化鎵器件單價貴，是相比于硅基MOS管而言， 主要是因為氮化鎵器件尺寸更小、效率更高，能達到硅基MOSFET不能實現的功能。此外，生產氮化鎵開關，需要一個全新的生態系統，包括拓撲、控制、門機驅動以及包裝等。

氮化鎵的高頻特性使得氮化鎵器件開關速度更快，開關損耗更低，頻率更高。但同時，也會導致更大的電壓振鈴、門級信號帶來高的氮化鎵損耗甚至毀壞，因此需更高的門級電阻值。氮化鎵HEMT結構具有更低的 低導通電阻 （Rds），傳導損耗低于硅基MOS管，可允許更大的傳導電流。氮化鎵HEMT結構與硅基MOS管相比， 沒有體二極管反向回復電荷 ，減少了一個損耗來源。因此氮化鎵開關能達到999%+的效率。氮化鎵器件的驅動電壓范圍Vgs更窄，好處是對于4.5V到6.5V的電源是合理的，壞處就是驅動電壓Vgs容易受線圈的自感電動勢影響而變動。

二、氮化鎵功率器件應用

就氮化鎵應用層面來講，可以分為消費類，工業類和電動汽車三大類。因為氮化鎵特別適合軟開關，尤其是LLC拓撲結構的應用，同時氮化鎵是橫向器件，更適合中小功率的應用。因此，消費電子仍然是當前氮化鎵功率元件最主要的應用市場，占據了接近70%左右份額。工業類有小規模量產，在新能源汽車的應用還處于早期。

（一）消費類應用

氮化鎵快充具有大功率、超級快充、輕巧便捷（體積小）優勢，支持手機、平板、PC電腦、藍牙耳機、手表手環等設備充電。

1、超小型適配器（65W）

氮化鎵在快充領域方面，65W超小型適配器已經實現市場化。過去幾年，各個廠商的65W超小型適配器的方案各異，包括三電平LLC，有源鉗位反激（ACF）等。甚至有公司用碳化硅做主開關管，當然對應的成本也很高。

表 3 65W超小型適配器（2016~2020年）

資料來源：公開資料整理

目前能做到的最高的功率密度是小米的ACF+平板變壓器方案。但即使如此，功率密度也沒有超過20W每立方英寸。

氮化鎵超小型65W適配器以三種方案為主。第一種是QR （準諧振反激），第二種是ACF（有源鉗位反激），第三種是LLC數字控制諧振拓撲。從工作頻率范圍，效率，電路調試難度，體積以及成本看，三種方案各有利弊。

表 4 氮化鎵超小型65W適配器的三種方案

不同的方案側重點不同，若成本是首要因素，則優先考慮QR（準諧振反激）方案。若對體積和效率要求較高，則適用LLC數字控制諧振方案。

（二）工業領域

氮化鎵特別適合軟開關，尤其是LLC拓撲結構的應用。同時氮化鎵是橫向器件，更適合中小功率的應用，用于900V以下的領域。氮化鎵功率器件常用數據中心、通訊基站等設備，實現設備運作需要電流快速轉換。氮化鎵射頻器件在5G基站的應用更廣泛，對于整個天線系統的功耗和尺寸都有巨大的改進。

（三）汽車領域

碳化硅和氮化鎵能同時應用于汽車產業，碳化硅在車載領域的可靠性上更具優勢。但眾多廠商在汽車領域已經全面布局All GaN（全氮化鎵電控系統）方案。

圖 1 電動車架構圖

資料來源：公開資料(侵刪）

許多功率GaN廠商開發了經車規認證的650V GaN器件，可用于車載充電器（OBC）和EV/HEV的DC/DC轉換，并與眾多汽車制造商建立了合作伙伴關系。

1、牽引逆變器（Traction Inverter）

GaN晶體管用于車輛中的逆變器，由AlxGa(1-x)N（x>0）組成的勢壘區與漂移區和源電極都接觸，從而改善GaN基板的散熱，可將效率提高20％，提升新能源汽車一次充電的續航里程。

但目前氮化鎵還未在新能源汽車動力系統的主逆變器（牽引逆變器）實現大規模商業化，整體仍處于開發設計和預演階段。

2、DC-DC轉換器

DC/DC轉換器DC/DC轉換器一端連接動力電池，另一端連接低壓蓄電池，將能量從高壓電池包轉移至低壓蓄電池中，為汽車的空調、燈光、雨刷、防盜、音響、導航、電動轉向、安全氣囊、電子儀表、故障診斷系統等提供12V/48V的低壓設備供電。

乘用車DC/DC功率一般在0.5-2kW之間，商用車DC/DC功率一般在1-3kW之間。DC/DC轉換器包括主電路（功率模塊）、驅動模塊和控制模塊。使用GaN器件，可大大減少能量損失，并減小整個轉換器的尺寸和重量。與硅基MOS功率器件方案對比，使用氮化鎵器件可將整個系統尺寸減小75％。

3、車載充電機（On-Board Charger/OBC）

OBC是車載充電機的簡稱（On Board Charger），固定安裝在新能源電動汽車上，OBC用于將交流電轉換為直流電，因此在使用交流充電樁充電時需要新能源汽車搭載車載充電機，但如果輸入的是直流電，就不需要這種轉換。

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當將直流快速充電樁連接到車輛時，這就會繞過OBC而將快速充電器直接連接到高壓電池。當輸入是交流電時，交流充電樁的充電槍連接至新能源汽車的交流充電口，新能源汽車的交流充電口連著車載充電器，在電源管理系統（BMS）的指揮下給新能源汽車電池完成充電。

車載充電機由交流輸入端口、功率單元、控制單元、低壓輔助單元和直流輸出端口五部分組成。其中，功率單元包括輸入整流、逆變電路和輸出整流3部分，將輸入的工頻交流電轉化成適合動力系統能夠接受的適當電壓的直流電。使用GaN器件，OBC的整體尺寸能減少到原來的五分之一，充電效率可以增加98%。

氮化鎵OBC可實現充電速度提高三倍。

表 5 氮化鎵OBC器件和硅基MOS器件對比

使用400V和800V電池的新能源汽車，OBC的額定功率在3.7kW和22kW之間，因此需要額定電壓分別為650V和1200V的功率半導體，1200V也是氮化鎵能達到的上限電壓，對于800V以上高壓電池的新能源汽車，碳化硅是不二之選。