随着新能源汽车（EV）的兴起，对车载电子系统的效率追求也慢慢变得高，比如在高效能的车载充电器（OBC）和DC-DC转换器。OBC负责将外部电源（如家庭充电桩提供的交流电）转换为车辆电池所需的直流电，而DC-DC转换器则承担着在车载系统中进行电压调节与转换的任务。

  传统的车载OBC和DC-DC转换器主要使用硅基功率半导体（Si MOSFET、IGBT等）。但是随着电动车功率要求的持续不断的增加和体积/重量的优化需求，传统硅技术已无法满足这些日益严苛的需求。氮化镓（GaN）作为一种新型宽禁带半导体材料，凭借其高电子迁移率、高耐压性、高开关频率、低开关损耗等优势，正在慢慢地取代传统硅基技术，成为电动汽车电源系统的重要组成部分。

  氮化镓（GaN）作为一种宽禁带半导体材料，其特性决定了它在高频、高效率电源转换中的巨大潜力：

  高电子迁移率：GaN具有比硅高几倍的电子迁移率，使其能够在更高的频率下工作，同时减少了开关损耗和提升了电源转换效率。

  高耐压特性：GaN器件的击穿电压远高于硅材料，能够在更高的电压下稳定工作，这对于车载系统中的高压电池管理和充电器设计至关重要。

  低导通电阻与低损耗：GaN器件在导通时的电阻较低，能够显著减少能量损耗，尤其在高功率应用中，能有效提升整体系统效率，减少热量产生。

  高开关频率：GaN器件能支持更高的开关频率，使得系统模块设计能更加紧凑，降低滤波器的体积，同时提高电源转换器的响应速度。

  优异的热性能：GaN的热导性较好，能够在高功率、高温环境下运行，减少对散热系统的依赖，增强系统的稳定性和可靠性。

  如图所示，氮化镓在OBC、充电器、服务器等市场中有着更高的效率和更低的系统成本。

  不同频率及功率等级下的选择，氮化镓、碳化硅与硅MOSFET在某些领域重叠部分较多。

  车载OBC中的应用，在车载充电器（OBC）中，氮化镓可提供显著的性能提升。

  高效的AC/DC转换：GaN可以在一定程度上完成更高的AC/DC转换效率，减少充电过程中的能量损失。

  高功率密度与小型化设计：GaN器件可以在一定程度上完成更高的功率密度，使得车载充电器的体积和重量大幅减小，符合新能源汽车对车载设备小型化和轻量化的需求。尤其是慢慢的变多的厂商推出氮化镓功率器件和驱动器集成的方案，逐步降低了整体尺寸，且提升了可靠性和易用性。

  热管理与散热：与硅技术相比，GaN器件具有更低的功率损耗和更高的散热效率。

  成本适用性：相比较碳化硅，GaN可通过硅基的工艺，并采用12寸晶圆厂因此价格更加合理。今年以来，英飞凌和TI就陆续宣布12寸氮化镓晶圆厂的项目。

  市场现状与应用前景：随着氮化镓技术的逐步成熟，全球多个新能源汽车制造商（如特斯拉、比亚迪等）慢慢的开始在其车载充电系统和电压转换器中采用GaN技术。英飞凌、TI和ST等领先半导体公司都已推出了针对车载电源的GaN方案，并且逐步扩大行业应用。

  技术挑战与解决方案：尽管GaN技术具有非常明显的优势，但仍面临一些挑战。首先，GaN器件的生产的基本工艺较为复杂，导致成本相比来说较高。其次，GaN的长期可靠性、热管理以及系统级集成等问题仍然要解决。为了应对这些挑战，多个厂商正通过优化制造工艺、减少相关成本并提高器件的集成度来解决这些问题。

  德州仪器：采用 GaN 的 7.4kW 电动汽车/混合动力电动汽车双向车载充电器参考设计

  TIDM-02013参考设计是一款 7.4kW 的双向车载充电器。该设计采用两相图腾柱 PFC 和带有有源同步整流功能的全桥 CLLLC 转换器。CLLLC使用频率和相位 调制在宽电压范围内调节输出。该设计使用单个 TMS320F280039C 微控制器来控制 PFC 和直流/直流 级。TMS320F28P65x 微控制器也支持该设计。通过 使用高速 GaN 开关 (LMG3522-Q1) 实现了高密度。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。该设计演示了如何在闭合电压和闭合电流环路模式中使 用单个 C2000 MCU 控制此电源拓扑。采用此设计的硬件和软件可帮助您缩短产品上市时间。

  • 软开关在初级侧使用零电压开关 (ZVS)；在次级侧使用零电流开关 (ZCS) 和 ZVS，可实现更高的效率

  • 使用 Rogowski 线圈传感器实现有源同步整流方案，可实现更高的效率

  另外，TI还有配套的PMP22650参考设计，基于 GaN 的 6.6kW 双向车载充电器参考设计。PMP22650 参考设计是一款 6.6 千瓦的双向车载充电机。该设计采用了两相图腾柱功率因数校正（PFC）电路以及带有同步整流功能的全桥 CLLLC 变换器。CLLLC 变换器利用频率调制和相位调制来对输出进行调节，使其能满足所需的调节范围要求。

  该设计在 TMS320F28388D 微控制器内部使用单个处理核心来控制功率因数校正（PFC）电路和 CLLLC 变换器。同步整流是通过同一个配备罗氏线圈电流传感器的微控制器来实现的。利用高速氮化镓（GaN）开关（LMG3522）实现了高功率密度。功率因数校正（PFC）电路的工作频率为 120 千赫兹，而 CLLLC 变换器的运行频率可变，范围从 200 千赫兹到 800 千赫兹。

  该系统在开放式架构下实现了 3.8 千瓦 / 升的功率密度，最高系统效率达到了 96.5%。虽然该设计的计算是基于 6.6 千瓦的输出功率来进行的，但对于一款额定功率为 7.x 千瓦（例如 7.2 千瓦至 7.4 千瓦）、由 240 伏输入电源供电且配备 32 安断路器的车载充电机（OBC）而言，该设计是一个合适的起点。

  英飞凌与苏黎世联邦理工学院电力电子系统实验室合作，开发出一款 10 kW EV 充电器设计，其超高功率密度为 10 kW/l（不含外壳）。

  这款 10 kW EV 充电装置是一款三相转换器，采用维也纳整流器 PFC 前端和四个级联双有源桥 (DAB) 作为隔离的 DC-DC 转换器级。该转换器采用新颖的调制方案，峰值效率达到 96%，EV 电池电压范围宽，为 250 至 1000 VDC。

  英飞凌的CoolGaN车载充电机OBC、DC/DC参考设计具有非常明显的优势和特点，能为用户带来诸多益处。其具备高达 550kHz 的超高开关频率，通过对AC-DC和DC-DC的协同控制，大大降低了损耗。双有源桥（DAB）DC-DC转换器拥有宽输入 / 输出电压范围，在所有运行条件下均可实现高效功率转换。扁平的设计使其通用性极强，能适应不同的外形尺寸要求。

  采用 70mΩ 的 CoolGaN GIT 高电子迁移率晶体管（HEMT）以及顶部冷却封装（IGOT60R070D1），搭配针对 CoolGaN GIT HEMT 优化的 EiceDRIVER 2EDi 栅极驱动器集成电路（2EDF7275K）和 CoolSiC 1200V 碳化硅肖特基二极管（IDM05G120C5），凭借 500kHz 以上的开关频率实现了极高的功率密度。DAB 及其先进的调制方式进一步拓宽了输出电压范围，创新的顶部冷却封装技术则提升了散热性能。

  客户能够从提升的功率转换效率中受益，高功率密度有助于减小产品尺寸和重量，而扁平且适应能力强的外形因素增加了设计灵活性。