電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）隨著中高壓電力電子系統(tǒng)在近五年的快速發(fā)展，對(duì)功率密度、轉(zhuǎn)換效率的要求不斷提高，SiC在汽車、工業(yè)等各種中高壓場(chǎng)景已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)硅基IGBT的大規(guī)模替代。

而GaN也逐漸從此前的消費(fèi)電子領(lǐng)域，擴(kuò)展至光伏微逆、數(shù)據(jù)中心電源、汽車等領(lǐng)域。在汽車領(lǐng)域，GaN目前依然主要是被用到座艙內(nèi)無線快充、有線快充等，作為消費(fèi)電子的延續(xù)，另外在激光雷達(dá)上對(duì)晶體管開關(guān)速度要求極高，GaN的高頻特性也使其被廣泛應(yīng)用到激光雷達(dá)上。

車載充電機(jī)OBC也是GaN目前上車的一個(gè)重要場(chǎng)景，GaN的高頻特性能有效減少磁性器件尺寸，縮小OBC整體體積。但目前整體來看，OBC市場(chǎng)依然是SiC為主。但GaN上車的節(jié)奏仍在不斷推進(jìn)，近期也有不少?gòu)S商推出車規(guī)GaN功率器件，從低壓到高壓，持續(xù)開拓GaN在汽車市場(chǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

車規(guī)GaN落地加速，應(yīng)用場(chǎng)景持續(xù)開拓

最近半年，多家廠商都推出了新的車規(guī)級(jí)GaN FET產(chǎn)品。英飛凌在去年年底推出了其首款符合AEC-Q101汽車應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的GaN晶體管系列——CoolGaN? 100V G1系列車規(guī)級(jí)晶體管，并開始提供同樣符合AEC-Q101汽車應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的CoolGaN?高壓產(chǎn)品以及多種雙向開關(guān)。

這也意味著英飛凌開始推動(dòng)GaN的車載應(yīng)用，并且覆蓋從艙內(nèi)低壓應(yīng)用到OBC、牽引逆變器等高壓產(chǎn)品。

而這次英飛凌推出的100V車規(guī)級(jí)GaN晶體管是面向區(qū)域控制和主DC-DC轉(zhuǎn)換器、高性能輔助系統(tǒng)及D類音頻放大器等應(yīng)用場(chǎng)景。在汽車低壓系統(tǒng)電壓從12V往48V轉(zhuǎn)型的過程中，GaN提供的高能效和小尺寸等優(yōu)勢(shì)，能夠滿足更高功率的ADAS、車載娛樂系統(tǒng)等對(duì)高功率、高能效的需求，提升系統(tǒng)性能的同時(shí)降低整車的能耗。

而在中高壓領(lǐng)域，鎵未來也在去年11月宣布推出G2E65R009系列 650V 9mΩ 車規(guī)級(jí)GaN FET，據(jù)稱是全球?qū)娮枳钚。挥?mΩ。根據(jù)介紹，該系列產(chǎn)品符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)，與現(xiàn)有的硅基MOSFET驅(qū)動(dòng)兼容，無需修改現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)電路，縮短產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)周期；同時(shí)極低的 Qoss 可以保證無論是硬開關(guān)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，還是軟開關(guān)的 LLC 諧振電路，均能保持極高的轉(zhuǎn)換效率；關(guān)斷狀態(tài)下提供最低反向?qū)妷?，以降低死區(qū)時(shí)間損耗；得益于9mΩ的超低導(dǎo)通電阻，該系列產(chǎn)品支持超過1500A的飽和電流（25℃）能力，能夠降低超過60%的開關(guān)和導(dǎo)通損耗。

G2E65R009系列僅9mΩ的超低導(dǎo)通電阻配合TO-247PLUS-4L 和 ITO-247PLUS-3L 封裝的優(yōu)異散熱設(shè)計(jì)，熱阻低至 0.2℃/W 相較傳統(tǒng) SiC MOSFET 降低約 40%；實(shí)測(cè)P-out 為 5.3kW 時(shí)，峰值效率可達(dá) 99.35%；單顆器件支持高達(dá)20kW的功率輸出，滿足大功率應(yīng)用場(chǎng)景，在OBC、DC-DC、牽引逆變器等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用前景。

今年3月，上海臨港車規(guī)半導(dǎo)體研究院與量芯微合作，推出了900V/120A車規(guī)級(jí)氮化鎵高性能器件。該器件采用G1（12/15V）、G0（6V）雙柵極架構(gòu)，且同規(guī)格柵極內(nèi)部互聯(lián)，支持雙柵極同步驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)柵極控制的高度均勻性，搭配推薦的負(fù)電壓關(guān)斷設(shè)計(jì)（-1~-3V），大幅提升開關(guān)速度與穩(wěn)定性，關(guān)斷延遲低至35ns、下降時(shí)間僅13.3ns，完美適配車載高頻開關(guān)場(chǎng)景。

導(dǎo)通電阻在25℃下僅為13mΩ，開關(guān)損耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硅基器件。同時(shí)耐受150℃高溫工況，高溫下導(dǎo)通電阻、漏電流等關(guān)鍵參數(shù)仍保持優(yōu)異表現(xiàn)，通過車規(guī)級(jí)應(yīng)力測(cè)試，高低溫循環(huán)下性能無衰減，滿足車載環(huán)境的嚴(yán)苛可靠性要求。

該900V/120A器件集成電流計(jì)采樣功能，無需額外采樣元件，大幅提升功率模塊集成度，減小車載器件體積，同時(shí)能簡(jiǎn)化客戶功率模塊設(shè)計(jì)流程，降低研發(fā)難度，加快產(chǎn)品上市節(jié)奏。據(jù)介紹，該器件可全面適配新能源汽車車載OBC（車載充電機(jī)）、DC-DC轉(zhuǎn)換器、主驅(qū)逆變器、充電樁等核心功率環(huán)節(jié)：在車載OBC與DC-DC模塊中，高頻低損耗特性可實(shí)現(xiàn)模塊小型化，適配車身緊湊布局；在主驅(qū)逆變器中，大電流與多并聯(lián)能力可滿足整車驅(qū)動(dòng)的高功率需求，提升動(dòng)力輸出效率；在充電樁場(chǎng)景中，高功率密度可實(shí)現(xiàn)充電樁的小型化與快充能力提升，適配車樁協(xié)同發(fā)展趨勢(shì)。

EPC也在4月發(fā)布了兩款基于100V EPC2361 eGaN FET的用于機(jī)器人和輕型電動(dòng)車輛的5kW GaN三相逆變器評(píng)估板，包括EPC9186HC2和EPC9186HC3。作為高性能三相BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器平臺(tái)，設(shè)計(jì)應(yīng)用于機(jī)器人、工業(yè)自動(dòng)化、輕型電動(dòng)汽車（EV） 電動(dòng)滑板車、叉車、農(nóng)業(yè)機(jī)械、電池驅(qū)動(dòng)的出行系統(tǒng)和高性能無人機(jī)。

不過作為100V GaN的應(yīng)用，面向的也是較低功率的應(yīng)用。EPC此前也面向車載48V架構(gòu)推出了基于80V 車規(guī)級(jí)eGaN FET的方案和測(cè)試數(shù)據(jù)，目前在汽車市場(chǎng)的方向目前看來是傾向于低壓器件的應(yīng)用落地。

GaN OBC優(yōu)勢(shì)明顯，有望大規(guī)模加速上車

在幾年前，電動(dòng)汽車行業(yè)曾掀起一輪關(guān)于OBC必要性的討論，當(dāng)時(shí)部分車企，比如蔚來、極越等，激進(jìn)地取消了OBC的搭載，車輛上也同步取消了交流充電口，只保留單個(gè)直流快充接口。

當(dāng)時(shí)給出的理由是，保留交流慢充需要增加一個(gè)OBC，而OBC的體積和重量對(duì)電動(dòng)汽車的布局和整體車重帶來了一些負(fù)面影響。同時(shí)當(dāng)時(shí)公共直流充電樁的逐步普及，讓交流充電口的需求降低，OBC似乎正在成為累贅。

然而今年的市場(chǎng)證明，OBC對(duì)于電動(dòng)汽車依然是必不可少的存在，包括外放電等功能都需要OBC實(shí)現(xiàn)，部分車內(nèi)的低壓系統(tǒng)供電也需要OBC來提供。

但OBC的體積和重量如何解決？過去由于在汽車上具有廣泛的應(yīng)用驗(yàn)證，因此OBC也沿用牽引逆變器上的SiC器件來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)英飛凌此前公布的OBC技術(shù)路線圖，2024年開始大規(guī)模應(yīng)用SiC，功率密度提升至4kW/L，而未來要想繼續(xù)提高功率密度，則需要用到GaN，英飛凌的路線圖中是扎起2025年后開始推進(jìn)GaN進(jìn)行OBC，預(yù)計(jì)將功率密度提高至6kW/L以上。

由于GaN的開關(guān)頻率相比SiC更高，在電源系統(tǒng)中能夠進(jìn)一步縮小磁性元件體積，從而縮小OBC的體積和重量。

2024年11月，匯川聯(lián)合動(dòng)力推出了新一代6.6 kW GaN車載二合一電源產(chǎn)品，這款電源將雙向OBC和DC-DC集成在一個(gè)模塊中，并且外部接口完全兼容現(xiàn)有的分立式產(chǎn)品，無需更改系統(tǒng)架構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)無縫替代升級(jí)。

在采用GaN功率器件后，通過全局效率優(yōu)化設(shè)計(jì)和GaN器件低開關(guān)損耗的優(yōu)勢(shì)，這款電源在370 V至450 V的寬電壓范圍內(nèi)，OBC 滿載效率超過96%；OBC 綜合效率對(duì)比同類產(chǎn)品提升超過2%。

在OBC部分，370 V至450 V電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)滿載效率超96%，適合于V2L/V2V等高頻充放電場(chǎng)景；DC-DC部分輕載工作區(qū)間最高效率可達(dá)97.09%，適合為車內(nèi)電氣設(shè)備供電，降低靜態(tài)用電的能耗。

去年1月，陽光電動(dòng)力推出了一款全新的二合一OBC方案，采用GaN器件以及單級(jí)拓?fù)浼軜?gòu)，實(shí)現(xiàn)了超高功率密度和高充電效率。其采用了創(chuàng)新的單級(jí)拓?fù)浼軜?gòu)，取代了傳統(tǒng)的PFC+DC/DC兩級(jí)式拓?fù)?，僅需一次隔離變換，就能實(shí)現(xiàn)交流與直流雙向功率控制，有效精簡(jiǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

OBC額定輸出功率6.6kW，DC-DC額定輸出3kW，全電壓充電效率為96.2%，峰值效率超過98%。為了提高效率，方案中使用了GaN功率器件，在提高轉(zhuǎn)換效率的同時(shí)提高系統(tǒng)功率密度。同時(shí)在方案中融合AI算法，基于諧振變換電路，進(jìn)行精確數(shù)學(xué)建模，獲得多目標(biāo)多自由度更優(yōu)控制策略，功率器件在全范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，損耗降低，系統(tǒng)效率顯著提升。

而到了3月長(zhǎng)安汽車宣布在啟源E07上全球首發(fā)搭載GaN OBC，官方數(shù)據(jù)顯示，該OBC體積功率密度達(dá)到6kW/L，充電效率和供電效率高達(dá)96%，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均為行業(yè)最高。據(jù)了解，啟源E07上搭載的GaN OBC采用了納微半導(dǎo)體的高功率GaNSafe 功率IC。

英諾賽科在去年12月也宣布采用其650V GaN的匯川聯(lián)合動(dòng)力新一代6.6kW OBC系統(tǒng)在長(zhǎng)安汽車順利裝車。該產(chǎn)品集成OBC和DC-DC，通過全局效率優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合英諾賽科650V 高壓GaN功率器件的低開關(guān)損耗和高頻特性，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)功率密度提升30%，達(dá)到4.8 kW/L；對(duì)比同類產(chǎn)品綜合效率提升超過2%，整機(jī)重量降低20%。

值得一提的是，英諾賽科還與聯(lián)合電子、納芯微簽署了三方戰(zhàn)略合作協(xié)議，將聚焦新能源汽車功率電子系統(tǒng)，聯(lián)合研發(fā)智能集成GaN相關(guān)產(chǎn)品，推動(dòng)GaN在汽車上的應(yīng)用落地。

小結(jié)：

GaN相比SiC更高頻的特性，使其在降低電源系統(tǒng)體積，提高功率密度方面有更大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于新能源汽車而言，OBC由于其不直接涉及行駛安全，因此是GaN在車載高壓應(yīng)用的最佳切入點(diǎn)之一。隨著GaN OBC的上車，GaN將進(jìn)一步在汽車上占據(jù)更加重要的地位。