为了解决诸如行驶距离，充电时间和价格等消费者关注的问题，以加速电动汽车（EV）的采用，全球的汽车制造商都要求增加电池容量和更快的充电能力，而尺寸，重量或组件成本却不能增加。

EV车载充电器（OBC）正在迅速发展，它使消费者可以在家中或公共或商业网点通过交流电源直接为电池充电。增加充电速率的需求使充电功率水平从3.6 kW增加到22 kW，但同时，OBC必须安装在现有的车内，并始终不会移动，但是前提是不会影响行驶里程。有人已经提出将OBC的功率密度从今天的<2 kW/L增加到> 4 kW / L。

开关频率的影响

OBC本质上是一个开关电源转换器。诸如变压器，电感器，滤波器和电容器之类的无源部件以及散热器构成了其重量和尺寸的主要部分。增加开关频率意味着无源元件更小。但是，较高的开关频率会在诸如功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管等开关元件中引起较高的功耗。

减小尺寸需要进一步降低功率损耗以保持相同的组件温度，因为现在有较小的表面积可用来散热。这种更高的功率密度要求同时增加开关频率和效率。其中存在着挑战，而基于硅的功率器件很难解决这一挑战。

提高开关速度将从根本上减少开关能量的损失。这是必要的，否则实际的最大频率将受到限制。在低电感电路路径布置中经过精心设计的，端子之间具有较低寄生电容的功率器件可提供更好的效率。

宽禁带超越硅

使用宽禁带半导体（例如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC））构建的功率器件凭借其器件物理特性，可显着降低电容，以实现可比的导通电阻和击穿电压。更高的击穿临界电场（GaN相对于硅为10倍）和更高的电子迁移率（GaN比硅高33％）有效地实现了更低的导通电阻和更低的电容。所以GaN和SiC FET能够以比硅更低的损耗在更高的开关速度下工作。

GaN的优势尤其明显：

GaN的低栅极电容可在硬开关期间实现更快的导通和关断，从而减少了转换损耗，GaN的栅极电荷因数为1nC-Ω。

GaN的低输出电容可在软开关期间实现快速的漏源转换，特别是在低负载（励磁）电流的情况下。例如，与25nC-Ω的硅相比，典型的GaN FET的输出电荷品质因数为5nC-Ω。这使设计人员可以使用较小的死区时间和低励磁电流，这对于增加频率和减少循环功耗是必不可少的。

与硅和SiC功率MOSFET不同，GaN晶体管在其结构中没有固有的体二极管，因此没有反向恢复损耗。这使得像图腾柱无桥功率因数校正这样的新型高效架构可以在数千瓦时实用，而以前是硅器件无法实现的。

所有这些优势使设计人员能够使用GaN在更高的开关频率下实现高效率，如图1所示。额定650 V的GaN FET能够实现高达10 kW的应用，例如服务器AC / DC电源，EV高压DC / DC转换器和OBC（并联堆叠可达到22 kW）。SiC器件可提供高达1.2 kV的电压，并具有高电流承载能力，非常适合EV牵引逆变器和大型三相电网逆变器。

图1：GaN在实现超高频应用方面超越了所有技术

高频设计挑战

切换到数百伏特时，典型的10 ns上升和下降时间需要仔细设计，以避免寄生寄生电感效应。FET和驱动器之间的共源极和栅极环路电感扮演着以下关键角色：

公共源极电感会限制漏极至源极的瞬态电压（dV / dt）和瞬态电流（dI / dt），降低开关速度，并增加硬开关期间的重叠损耗和软开关期间的过渡时间。

栅极环路电感会限制栅极电流dI/dt，从而降低开关速度并增加硬开关期间的重叠损耗。其他负面影响包括增加对Miller导通的敏感性，引起额外功率损耗的风险以及引入设计挑战以最大程度地减小栅极绝缘体电压过应力，如果不适当缓解，则会降低可靠性。

结果，工程师可能需要求助于铁氧体磁珠和阻尼电阻器，但这些会降低开关速度并违背增加频率的目标。尽管GaN和SiC器件本质上适用于高频工作，但想要充分发挥其优势，还需要克服系统级设计挑战。一个精心设计的产品，兼顾易用性，健壮性和设计灵活性，将加速技术的采用。

具有集成驱动器，保护，报告和电源管理的GaN FET

德州仪器（TI）的全集成式650V汽车GaN FET旨在提供GaN的高效、高频开关优势，而不会带来相关的设计和组件选择缺陷。GaN FET和驱动器紧密集成在低电感四方扁平无引线（QFN）封装中，大大降低了寄生栅极环路电感，消除了对栅极过应力和寄生Miller导通的担忧，同时共源极电感非常低实现快速切换，减少损耗。

LMG3522R030-Q1与C2000实时微控制器中的高级控制功能（如TMS320F2838x或TMS320F28004x）相结合，可在功率转换器中实现高于1 MHz的开关频率，与现有的硅和SiC相比，其磁尺寸减小了59％。

Demo的漏极至源极压摆率> 100 V/ns，与分立FET相比，可将开关损耗降低67％，而其可调性在30V/ns至150V/ns之间，可在效率与电磁干扰之间进行权衡，以降低下游产品设计风险。集成电流保护提供了鲁棒性，而新功能包括LMG3525R030-Q1提供的用于有源功率管理，健康状态监测和理想二极管模式的数字脉宽调制温度报告，从而消除了对自适应死区的需求。封装还提供顶部封装选项，这样更方便进行有效散热。

TI GaN器件具有超过4000万的器件可靠性小时，并且10年寿命的故障率低于1，可提供汽车制造商所期望的坚固性。TI GaN在广泛可用的硅衬底上制造，并使用100％内部制造设施中的现有成熟工艺节点开发，与基于SiC或蓝宝石衬底的其他技术不同，它具有确定的供应链和成本优势。