為了加速電動車（EV）技術導入，滿足消費者對續航里程、充電時間與性價比的要求，全球汽車大廠在研發上需要更高的電池容量、更快的充電性能，同時盡可能降低或維持設計尺寸、重量或元件成本。
透過EV車載充電器（OBC），消費者能在家用、公用或商用充電站，直接以AC電源為電池充電。順應當前潮流，這項技術目前也快速發展。為提高充電率，OBC的額定功率已從3.6 kW提升至22 kW，不過，設計人員也必須思考如何在不影響續航里程的前提下，將OBC與電動車既有機械系統整合。另一業界趨勢則是將現今OBC低於2 kW/L的功率密度，逐步提高至4 kW/L。
開關頻率的影響
OBC是一種開關式功率轉換器，主要由變壓器、電感器、濾波器、電容器等被動元件與散熱器組成。提高開關頻率能減少被動元件的尺寸，但金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFETs）、絕緣柵雙極電晶體等開關元件的功耗也會隨之提高。
元件尺寸縮小後，能用於排熱的表面積也減少，因此必須進一步降低功耗，才能維持元件溫度不變。達成高功率密度需要同步提升開關頻率與效率，而這是過去矽基功率元件無法克服的難題。
追求提高開關速度（元件端點之間電壓與電流的變化速度）的同時，必須減少開關能量損耗，否則實際最大頻率將會受限。採用低電感電路布局設計、端點間寄生電容低的功率元件，將是未來的研發方向。
超越矽基，氮化鎵技術時代來臨
氮化鎵（GaN）、碳化矽（SiC）等寬能隙功率半導體具有優良物理特性，因此使用此類材料開發的功率元件，能實現極低的電容以及理想的導通電阻。與相較於MOSFET有較高的崩潰電壓值於相同晶粒體積下，氮化鎵的崩潰臨界電場高於矽的10倍，電子遷移率也比矽高出33%，具有低導通電阻與低電容的雙重優點。因此，與矽元件相比，氮化鎵與碳化矽FETs能在更高的開關速度下運作，且功率損耗更低。
氮化鎵具有的材料優勢包含：
• 閘極電容低，能在硬切換時提升開關速度，降低交越功耗。氮化鎵閘極電荷的優值為1 nC-Ω。
• 在軟切換應用中，氮化鎵的低輸出電容有助汲極到源極的快速轉換，在低負載（磁化）電流時尤其如此。舉例而言，氮化鎵的輸出電荷優值一般為5 nC-Ω，矽材料則為25 nC-Ω。這種特性有助設計人員壓縮死區時間、維持低磁化電流，對於提升頻率與降低循環功率損失極為重要。
• 不同於矽基與碳化矽功率MOSFETs，氮化鎵電晶體的結構不含本體二極體，因此無反向復原損耗。這種特性能實現kW級的圖騰柱無橋功率因數校正等高效率架構，是過去使用矽基元件無法達成的事。
如圖一所示，設計人員能運用上述氮化鎵的特性，在更高的開關頻率上達成高效率。額定電壓為650V的GaN FETs能支援高達10 kW的應用，例如伺服器AC/DC電源、EV高電壓DC/DC轉換器與OBC（平行堆疊達到22 kW）。高達1.2 kV等級的高載流能力碳化矽元件，則適合用於EV牽引逆變器與大型三相電網轉換器。
圖一：氮化鎵超越過往技術，能用於極高頻應用
高頻率的設計挑戰
一般而言，開關數百伏特時，上升與下降時間為10-ns，因此在設計上須特別謹慎，避免寄生雜散電感效應。在此方面，FETs與驅動器之間的共源極與閘極迴路電感為兩大考量因素：
• 共源極電感會限制汲極到源極的瞬態電壓（dV/dt）與瞬態電流（dI/dt），降低開關速度，並在硬切換時提高重疊損耗、在軟切換時延長轉換時間。
• 閘極迴路電感會限制閘極電流（dI/dt），降低開關速度，並在硬切換時提高重疊損耗。另一負面影響為容易發生米勒導通現象，提高額外功耗的風險；設計人員也必須避免閘極氧化層承受電壓過載，否則將減損設計可靠性。
為了因應，工程師可能須採用鐵氧體磁珠與阻尼電阻，但這兩者會降低開關速度，讓頻率難以提升。氮化鎵與碳化矽元件雖然適用於高頻運作，然而，要充分發揮材料優勢，尚須克服系統上的設計挑戰。如果產品設計能面面俱到，滿足使用便利度、穩健性與設計彈性，便能加速新一代技術導入。
整合驅動器、保護、與電源管理功能的GaN FETs
TI全方位整合式650-V車用GaN FETs能發揮氮化鎵的材料優點，實現高效率、高頻率開關性能，且不會衍生設計與元件選擇問題。透過低電感四方扁平無引線（QFN）封裝，GaN FETs與驅動器近距離整合後，能大幅減少寄生閘極迴路電感，因此無須擔心閘極過載或寄生米勒導通現象。同時，低共源極電感能實現快速切換、減少功耗。
LMG3522R030-Q1結合了C2000™即時微控制器的先進控制性能，例如TMS320F2838x或TMS320F28004x，有助提高1 MHz以上功率轉換器的開關頻率，與現有矽基或碳化矽解決方案相比，能降低59%的磁性元件尺寸。
與分離式FETs相比，LMG3525R030-Q1具有大於100 V/ns的汲極到源極轉動率，經驗證能有效減少高達67%的開關損耗，且能於30 V/ns至150 V/ns之間彈性調整，有助在效率與電磁干擾之間取得理想平衡，減少下游產品設計風險。此外，LMG3525R030-Q1的整合式電流保護可提升耐用度，更配備創新性能，包括用於主動電源管理的數位脈衝寬度調變溫度感測、健康狀態監控以及理想二極體模式等，可省去主動控制死區時間的麻煩。採用12mm x 12mm頂部冷卻QFN封裝也有助提升熱管理效能。
TI氮化鎵元件具有超過4000萬小時的可靠度，且10年生命週期失效率小於1，絕對能滿足汽車製造商對強健性的高標準。不只如此，TI氮化鎵並非採用碳化矽或藍寶石基板，而是以常見矽基板與現有製程節點生產，100%由內部廠房製造，提供客戶無可比擬的供應鏈與成本優勢。歡迎瀏覽TI氮化鎵簡介，深入了解車用GaN FETs。
關於德州儀器（TI）
德州儀器（納斯達克股票代碼：TXN）為位居世界領導地位的全球半導體公司，致力於設計、製造、測試以及銷售類比和嵌入式半導體晶片，為工業、汽車、個人電子、通訊設備和企業系統等市場服務。打造更美好的世界是我們的願景，為此，我們以半導體技術為基礎，致力於創造更輕巧、更高效、更可靠及更具成本效益的產品解決方案，使半導體更加普及地被應用於各式電子產品中。推動半導體技術持續更上一層樓，是我們數十年來始終如一的信念。更多詳情，敬請瀏覽TI.com。
