基于GaN功率器件的大功率和高功率密度EV逆变器

提高功率密度的路线图从降低传导动态损耗开始。与碳化硅相比，氮化镓可以显着降低动态损耗，因此可以降低整体损耗。因此，这是未来实现高功率密度的一种方法。

第二个参数是整个逆变器堆栈的厚度；具有扁平而薄的逆变器外壳的设计很重要。第三种可能性是提高操作温度。高温路线图要求器件在 175°C 下运行，未来甚至在 200°C 下运行。

对于第一个方面，减少损耗，我们需要转向基于碳化硅和氮化镓的功率器件。对于 EV 应用，我们将讨论 600 至 1,200 V 范围内的器件。在这里，碳化硅和氮化镓器件甚至可以胜过 IGBT 等硅双极器件，从而大大降低了传导损耗和开关损耗。

出于几个原因，这是正确的。首先，它们是多数载流子器件，这意味着它们没有任何少数载流子存储效应。GaN 的横向结构使其在动态或开关损耗方面略胜于碳化硅。与 SiC 等效物（垂直器件、反转通道）相比，600-V GaN 器件的高迁移率二维电子气通道可实现更低的通道电阻，因此芯片尺寸更小，横向结构还允许更低的电容。

查看导通电阻乘以输入电容、输出电容和反向恢复特性，我们发现 600V GaN 和 SiC 宽带隙器件的性能优于硅超结等效器件。R _on × C _iss表示驱动门回路的速度。SiC 和 GaN 产生更快的栅极环路，降低了开关损耗，但 GaN 明显优于 SiC，部分原因是横向结构，部分原因是使用的设计规则是深亚微米 CMOS。第二个品质因数是 R _on × C _oss。这再次减少了周转损耗，因为电容将存储能量，当您打开设备时这些能量会消散。三是反向恢复特性（R _on× Q _rr ); 在这里，碳化硅明显优于硅，而 GaN 略优于 SiC。因此，我们可以看到，GaN 和 SiC 中的反向恢复基本被消除了。在 20 kHz（这是 EV 逆变器的典型频率）下，开关损耗几乎可以忽略不计，因此传导损耗将开始主导整体损耗。这些I ² R 损耗可以通过并联使用越来越多的设备来成比例地减少，只要有足够的空间将设备放入您的AV逆变器中，这当然与功率密度直接相关。

当然，提高功率密度的一个重要参数是封装形式因素，或器件的厚度。在这里，我们再次认为 GaN 比碳化硅具有优势。