【摘要】簡單回顧氮化鎵與硅基MOS管相比，氮化鎵結(jié)構(gòu)的特性。然后從消費類、工業(yè)領(lǐng)域以及汽車領(lǐng)域介紹了氮化鎵器件的應(yīng)用技術(shù)情況，重點介紹了氮化鎵當(dāng)前的主要應(yīng)用領(lǐng)域，消費類快充以及汽車領(lǐng)域的OBC。

一、工藝結(jié)構(gòu)特性情況

工藝結(jié)構(gòu)決定了應(yīng)用，氮化鎵HMET的結(jié)構(gòu)和硅基MOSFET相比，仍存在驅(qū)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(yīng)用研究院整理

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

表 2 開關(guān)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(xiàn)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(xiàn)的功能。此外，生產(chǎn)氮化鎵開關(guān)，需要一個全新的生態(tài)系統(tǒng)，包括拓?fù)?、控制、門機驅(qū)動以及包裝等。

氮化鎵的高頻特性使得氮化鎵器件開關(guān)速度更快，開關(guān)損耗更低，頻率更高。但同時，也會導(dǎo)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(jié)構(gòu)具有更低的 低導(dǎo)通電阻 （Rds），傳導(dǎo)損耗低于硅基MOS管，可允許更大的傳導(dǎo)電流。氮化鎵HEMT結(jié)構(gòu)與硅基MOS管相比， 沒有體二極管反向回復(fù)電荷 ，減少了一個損耗來源。因此氮化鎵開關(guān)能達到999%+的效率。氮化鎵器件的驅(qū)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(qū)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(yīng)用

就氮化鎵應(yīng)用層面來講，可以分為消費類，工業(yè)類和電動汽車三大類。因為氮化鎵特別適合軟開關(guān)，尤其是LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用，同時氮化鎵是橫向器件，更適合中小功率的應(yīng)用。因此，消費電子仍然是當(dāng)前氮化鎵功率元件最主要的應(yīng)用市場，占據(jù)了接近70%左右份額。工業(yè)類有小規(guī)模量產(chǎn)，在新能源汽車的應(yīng)用還處于早期。

（一）消費類應(yīng)用

氮化鎵快充具有大功率、超級快充、輕巧便捷（體積小）優(yōu)勢，支持手機、平板、PC電腦、藍(lán)牙耳機、手表手環(huán)等設(shè)備充電。

1、超小型適配器（65W）

氮化鎵在快充領(lǐng)域方面，65W超小型適配器已經(jīng)實現(xiàn)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(guān)管，當(dāng)然對應(yīng)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(zhǔn)諧振反激），第二種是ACF（有源鉗位反激），第三種是LLC數(shù)字控制諧振拓?fù)?。從工作頻率范圍，效率，電路調(diào)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(cè)重點不同，若成本是首要因素，則優(yōu)先考慮QR（準(zhǔn)諧振反激）方案。若對體積和效率要求較高，則適用LLC數(shù)字控制諧振方案。

（二）工業(yè)領(lǐng)域

氮化鎵特別適合軟開關(guān)，尤其是LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用。同時氮化鎵是橫向器件，更適合中小功率的應(yīng)用，用于900V以下的領(lǐng)域。氮化鎵功率器件常用數(shù)據(jù)中心、通訊基站等設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備運作需要電流快速轉(zhuǎn)換。氮化鎵射頻器件在5G基站的應(yīng)用更廣泛，對于整個天線系統(tǒng)的功耗和尺寸都有巨大的改進。

（三）汽車領(lǐng)域

碳化硅和氮化鎵能同時應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)，碳化硅在車載領(lǐng)域的可靠性上更具優(yōu)勢。但眾多廠商在汽車領(lǐng)域已經(jīng)全面布局All GaN（全氮化鎵電控系統(tǒng)）方案。

圖 1 電動車架構(gòu)圖

資料來源：公開資料(侵刪）

許多功率GaN廠商開發(fā)了經(jīng)車規(guī)認(rèn)證的650V GaN器件，可用于車載充電器（OBC）和EV/HEV的DC/DC轉(zhuǎn)換，并與眾多汽車制造商建立了合作伙伴關(guān)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(qū)與漂移區(qū)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(xù)航里程。

但目前氮化鎵還未在新能源汽車動力系統(tǒng)的主逆變器（牽引逆變器）實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，整體仍處于開發(fā)設(shè)計和預(yù)演階段。

2、DC-DC轉(zhuǎn)換器

DC/DC轉(zhuǎn)換器DC/DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移至低壓蓄電池中，為汽車的空調(diào)、燈光、雨刷、防盜、音響、導(dǎo)航、電動轉(zhuǎn)向、安全氣囊、電子儀表、故障診斷系統(tǒng)等提供12V/48V的低壓設(shè)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(zhuǎn)換器包括主電路（功率模塊）、驅(qū)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(zhuǎn)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(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換。

資料來源：公開資料(侵刪）

當(dāng)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(dāng)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(tǒng)（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(zhuǎn)化成適合動力系統(tǒng)能夠接受的適當(dāng)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(xiàn)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(dǎo)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。