電動汽車設(shè)計師致力于通過提升功率、縮小系統(tǒng)尺寸并減少散熱需求，使電動汽車更輕量化、自動化，并配備更小電池。借助氮化鎵(GaN)汽車級功率器件在功率轉(zhuǎn)換、高頻開關(guān)和熱管理領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，電動汽車的能效、可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性正不斷提升。這些器件具備抗振動、耐高溫及適應(yīng)嚴(yán)苛環(huán)境的能力，助力動力系統(tǒng)設(shè)計更緊湊，車身更輕量化。

GaN的卓越熱管理能力降低了對龐大散熱器和冷卻系統(tǒng)的依賴，從而減輕車輛重量。此外，GaN功率器件通過減少功率損耗、提升系統(tǒng)效率和縮小體積，在電動汽車全生命周期中展現(xiàn)出顯著成本效益。更高的能效還減少了碳排放，推動電動汽車環(huán)保化發(fā)展。

GaN逆變器：能效與性能的核心

逆變器是電動汽車的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)將電池直流電轉(zhuǎn)換為交流電以驅(qū)動電機。GaN器件使逆變器設(shè)計更小、更輕且更高效，直接提升電動汽車的續(xù)航和性能。GaN逆變器能有效利用電池電力，延長單次充電行駛里程。

400伏三相GaN逆變器

在GaN驅(qū)動的400伏電池牽引逆變器中，能效和功率密度顯著提升，同時降低能量損耗、體積和重量。由此滿足消費者對低成本、高續(xù)航電動汽車的核心需求。圖1展示了一款基于GaN的三相逆變器參考設(shè)計，其總線電壓為400伏，均方根(RMS)電流為400安。

為實現(xiàn)均勻電流分布和平滑波形，四個GaN陣列并聯(lián)驅(qū)動，從而降低柵極和漏極過沖電壓。米勒鉗位電路可抑制高速開關(guān)引發(fā)的寄生信號和電壓尖峰。工作中溫度升高會導(dǎo)致功率開關(guān)閾值電壓下降，米勒電流與寄生電感耦合可能意外觸發(fā)開關(guān)導(dǎo)通。這種意外導(dǎo)通可能引發(fā)直通事件，損毀電路功率級并導(dǎo)致系統(tǒng)故障。由于GaN器件體內(nèi)無二極管，需通過外接電容調(diào)整反向?qū)ㄟ^程的振蕩。

在逆變器設(shè)計中，開關(guān)損耗是能效的關(guān)鍵，而GaN在此方面較碳化硅(SiC)更具優(yōu)勢。

800伏三相GaN逆變器

在800伏電池牽引逆變器中，基于GaN的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)帶來多重優(yōu)勢：

相比兩電平方案，通過最小化開關(guān)損耗及濾波器和電機的高頻損耗，提升逆變器效率;

類正弦輸出電壓降低濾波需求，減少噪聲、振動和電磁干擾;

共模電壓尖峰和電機軸承應(yīng)力降低，使電路運行更平穩(wěn)穩(wěn)定，延長壽命。

圖2展示了一款GaN三相逆變器參考設(shè)計，輸入直流電壓最高800伏，輸出均方根電流100安，額定功率100千瓦。采用VisIC V22TC65S1A1器件，通過降低相電流紋波和提升驅(qū)動循環(huán)效率優(yōu)化800伏電機三電平逆變系統(tǒng)。每開關(guān)位并聯(lián)兩枚該器件。

三電平拓?fù)涞淖畲髢?yōu)勢在于顯著降低總體開關(guān)損耗。為優(yōu)化散熱，設(shè)計采用絕緣頂部冷卻表面貼裝封裝，可承受高達(dá)100安均方根的輸出相電流。該設(shè)計支持三電平開環(huán)逆變和多脈沖配置，集成D3GaN功率開關(guān)后最大效率達(dá)99.3%(開關(guān)頻率40千赫)。D3GaN將高密度橫向GaN功率晶體管整合為常閉器件，具備超低導(dǎo)通電阻和高效開關(guān)性能，集成安全功能確保系統(tǒng)啟停安全運行。

含液冷散熱器的整體尺寸為26.9×21.4×3.5厘米，功率密度達(dá)50千瓦/升(含液冷)，總重約2.5千克。通過熱成像相機可測量PCB板上的開關(guān)溫度。

其他系統(tǒng)模塊

GaN器件憑借更高能量轉(zhuǎn)換效率和更低損耗，實現(xiàn)快速充電，提升用戶體驗，適用于住宅和商用充電樁的高壓支持與擴(kuò)展。DC/DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)管理高壓電池組與低壓系統(tǒng)(車燈、娛樂系統(tǒng)、空調(diào))間的電力分配。