汽車行業正在經歷從內燃機 (ICE) 到全電動未來的巨變。VisIC Technologies 的功率晶體管使該行業能夠擴大電動汽車的范圍并同時降低成本。我們目睹的變化正引領我們走向由寬帶隙材料支持的全電動汽車生態系統。電力電子行業已經看到硅 MOSFET 的理論極限，現在需要轉向新元件。氮化鎵或 GaN是一種高度移動的電子半導體，被證明是滿足新應用的真正附加值。

電動汽車

電動汽車的關鍵元件是電動機、電池和所有控制電流傳輸的動力系統。逆變器的效率會影響電池在驅動電機時充電的壽命。VisIC Technologies 提供 D3GaN（直接驅動耗盡型 GaN）產品，用于創建高效逆變器作為分立產品或集成到模塊封裝中。

由于期待更好的充電基礎設施，現在汽車對車載充電器的需求很重要。目的是盡量減少 OBC 和所需冷卻系統的成本、尺寸和重量。這種趨勢與 GaN 技術的優勢非常吻合，因為它可以快速切換且損耗低，從而降低了冷卻解決方案的成本。

VisIC Technologies Ltd. 產品經理兼技術銷售人員 Elijah Bunin 表示：“GaN 的優勢在于它可以在非常高的頻率下以低損耗運行。因此，板載充電器是一個非常好的候選者。另一方面，氮化鎵的生產成本低于碳化硅。這使得需要大量半導體的逆變器應用受益。GaN 和碳化硅都為逆變器提供了優于現有 IGBT 技術的優勢。所以目前，我們和其他半導體公司都在研究如何提高GaN器件的額定電壓，以應用于800伏電池。因此，我們目前也在做的一種方法是針對逆變器，它是三電平拓撲。這意味著將兩個設備串聯。并且有一種開關算法可以讓您基本上輸出雙倍的相位紋波。這允許在 800 伏總線拓撲中使用 650 伏設備。所以這種方法是有優勢的。當然，在您需要使用更多開關方面存在缺點，但我們相信利大于弊。”

氮化鎵的帶隙等于 3.4 eV，明顯高于硅的帶隙 (1.2 eV)。氮化鎵電子的更大遷移率導致更高的開關速度，因為通常會在結上積累的電荷可以更快地分散。更寬的帶隙還允許更高的溫度操作。隨著溫度的升高，價帶中電子的熱能增加，直到一旦超過某個溫度閾值，它們就會進入傳導區。對于硅，該溫度閾值約為 150 °C，而對于 GaN，它甚至高于 400 °C。寬帶隙也意味著更高的擊穿電壓。

氮化鎵晶體管

由于其物理特性，GaN 半導體提供優于其硅 FET 的性能。GaN晶體管有兩種不同的技術，D-mode和E-mode。

e-mode 與普通 MOSFET 一樣工作，并提供更簡單的封裝、低電阻，沒有體二極管，具有像這樣的雙向通道。d-GaN 晶體管通常是導通的，需要負電壓。您可以通過將 HEMT 晶體管與低壓硅 MOSFET 串聯來解決這個問題。增強型晶體管通常是關斷的，而通過施加到柵極的正電壓而導通。

VisIC 是 D 模式技術的早期采用者和支持者，可實現高功率汽車用例，因為它具有更高的柵極驅動安全裕度和更高的柵極驅動噪聲抗擾度。VisIC 的 D 3 GaN 技術還允許輕松簡單的并聯，這是逆變器的一個關鍵特性，以及最先進的功耗封裝。

“我們在直接驅動結構中使用 D 模式技術。因此，這意味著引腳直接連接到氮化鎵，但我們有一些輔助硅電路，可確保設備正常關閉，但與共源共柵結構相比，它們不會增加任何開關損耗，”Bunin 說。

他補充說：“D 3 GaN 技術通過易于使用的 0V 至 +15V 標準驅動器電路使 D-Mode GaN 的穩健性和可靠性受益。”

圖 2：D 3 GaN 技術布局

D 3 GaN（直接驅動 D 模式）V22TC65S1A 電源開關將獲得專利的高密度橫向 GaN 功率晶體管集成到常關產品中。D 3 GaN 技術已應用到隔離式高功率 SMD 封裝中。

“我們的短路保護方法完全與時間有關。快速檢測過流事件。并在檢測后安全關閉氮化鎵器件。為此，我們開發了一種電路，可以在大約 200 納秒內檢測和保護 GaN 器件，”Bunin 說。

生產單個大電流芯片的挑戰是寬帶技術 (WBG) 所熟悉的挑戰。VisIC 的下一代 200A GaN 技術得益于 D3GaN 平臺的周到設計和 VisIC 的制造合作伙伴臺積電的卓越制造能力。

汽車電氣化正在改變汽車行業，消費者對充電速度更快、行駛更遠的汽車的要求越來越高。因此，工程師需要在不影響車輛性能的情況下設計緊湊、輕便的系統。

今天，這種半導體的性能幾乎完全達到了其理論極限，突出了硅基技術的一些缺點，特別是：有限的散熱、有限的效率和不可忽略的傳導損耗。與基于硅的傳統解決方案相比，在電源轉換器等應用中使用氮化鎵可實現顯著改進：更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總體成本。

審核編輯：郭婷