在消费中爆发，在汽车中升华——氮化镓迈向新里程

根据Yole的一篇市场调研报告显示，第三代半导体（宽禁带）半导体将受益于新能源车的火热，在汽车市场中迅速提升。Yole预计，2025年，SiC在新能源车市场将超过15亿美元，成为最大的SiC应用市场，具体应用包括主逆变器、OBC及DC/DC转换器。而GaN在电动汽车中市场总容量将达到1.55亿美元，主要应用包括OBC及DC/DC转换器。不过和SiC不同，GaN的最大市场仍然在消费端，也就是包括快充、适配器等在内的产品中。

但是我们同时看到，车用GaN未来数年复合增速将达到185%，成为增速最快的明星。也正因此，我们看到诸多厂商正在积极部署GaN的市场。

GaN 在电动汽车中的应用还处于早期阶段。许多功率 GaN 厂商已经开发了 650V GaN 器件并通过了认证，用于车载充电器和 EV/HEV 中的 DC/DC 转换，并且已经与汽车企业建立了大量的合作伙伴关系。

例如，加拿大的 GaN Systems 为美国电动汽车初创公司 Canoo 提供车载充电器，并且与加拿大电动汽车电机驱动供应商 FTEX 合作，将 650-V GaN 功率设备集成到电动滑板车系统中。与此同时，总部位于加州的 Transphorm 与汽车供应商 Marelli 合作，提供车载充电和 DC/DC 转换设备。

意法半导体有望提供为雷诺提供GaN器件，不过目前尚未通过汽车级认证。EPC 目前提供符合汽车标准的低压 GaN 器件，正在与总部位于法国的 Brightloop 合作，为非公路和商用车辆开发价格合理的电源转换器。2020年，德州仪器 (TI) 的车用 650V GaN 器件通过了认证。

荷兰 Nexperia 与英国顾问 Ricardo 合作开发基于 GaN 的电动汽车逆变器设计。以色列的 VisIC Technologies 公司与德国汽车供应商采埃孚合作，为 400-V 传动系统应用开发 GaN 半导体。

GaN Systems 与宝马签署了一项 价值1 亿美元的协议，为这家德国汽车制造商的电动汽车提供制造 GaN 功率器件的能力，这提供了 OEM 对 GaN 认真对待的有力证据。

Navitas最近宣布将向总部位于瑞士的 Brusa HyPower 供应用于车载充电器和 DC/DC 转换器的设备。

TI最新的参考设计彰显了GaN的魅力

EEWORLD发现，德州仪器日前更新了其参考设计PMP22650，这是一款基于 GaN 的 6.6kW 双向车载充电器参考设计。这一设计彰显出GaN作为OBC的优势，利用开关速度更快的功率器件，可以减少59%的功率级磁性器件要求，功率密度比现有方案提升两倍。

该设计采用两相图腾柱 PFC 和带有同步整流功能的全桥 CLLLC 转换器。CLLLC 采用频率和相位调制在所需的调节范围内调节输出。该设计采用 TMS320F28388D 微控制器内的单个处理内核来控制 PFC 和 CLLLC。使用配有 Rogowski 线圈电流传感器的相同微控制器来实现同步整流。通过高速 GaN 开关 (LMG3522) 实现高密度。PFC 的工作频率为 120kHz，而 CLLLC 在 200kHz 至 800kHz 的可变频率范围内运行。峰值系统效率为 96.5%，该数值在 3.8kW/L 开放式框架功率密度下实现。虽然该设计是针对 6.6kW 输出功率进行计算，但也可以将此设计作为基础，设计出额定功率为 7.xkW（如 7.2kW 至 7.4kW）、工作输入电压为 240V 并配有 32A 断路器的 OBC。

如图所示，该参考方案集成了TI的多种“明星”产品，包括GaN FET、MCU、数字隔离器、隔离驱动、变压器驱动器、低Iq精密电压基准等一系列TI器件，涵盖了控制、信号链以及功率器件在内的几乎一站式解决方案。

具体而言，LMG3522-Q1系列氮化镓产品，是业界首款集成GaN FET、驱动器、保护和温度报告功能的产品，满足车规级要求，并且具有顶部散热封装改善了散热效果。集成的温度报告功能，可随时进行主动电源管理和最大充电功率。

F280039C 是一款多核，成本优化的控制器，可以生产高精度PWM，并且集成增强的反馈和保护功能，单颗芯片就可实现 PFC 和 CLLLC。

REF35是一款0.68µA 静态电流、6ppm/°C 漂移、超低功耗精密电压基准，相比较前一代REF4132，其漂移更小。可以为控制电路中的所有精密放大器提供参考，帮助系统实现96%以上的效率。

如图所示，TI给出了实际参考方案的测量方式及结果，设备包括了如图所示的高功率AC电流源、功率分析仪、高功率电子负载、示波器、冷却仪等等。

而根据实测结果，效率达到了96%。随着负载下降，控制从频率模式转换为相移模式，以确保对宽范围的电池电压进行电压调节。GaN FET 的低输出电容可在 40ns 内实现零电压开关，最大限度地减少死区时间并最大限度地提高功率传输。

并且C2000的平滑启动，可确保功率因数达到0.999，THD<2%。

隔离的DC/DC工作在500kHz，这可以缩小59%的磁感元件。