从OBC到主驱模块，氮化镓正加速上车！

氮化镓(GaN)也被称为宽带隙半导体，化合物半导体中带隙越宽，可以实现的耐压能力就越高。氮化镓开关速度极快，几乎无反向恢复损耗，适合高频场景，可缩小电感、电容等被动元件体积，让设备更紧凑。在电源或电机驱动中，氮化镓能显著降低发热，提升功率密度。

图片来源：罗姆半导体

上海车展期间汇川、联电都拿出了各自的氮化镓OBC产品。浩思动力以及上海电驱动也都展出了其氮化镓主驱模块。由此可见在汽车领域氮化镓即将大规模应用，逐步取代硅基IGBT，成为高效功率转换的新标准。

01.氮化镓技术重构OBC能效边界

◎汇川联合动力这次车展带来的氮化镓OBC是两级式的，是基于新需求开发的全新OBC+DCDC二合一电源应用技术。相较上一代电源方案，具有高效率、高功率密度、易于多合一集成等技术优势。对比传统Si/SiC方案，功率密度提升30%，达4.8kW/L，OBC满载平均效率超过96%，DCDC工况效率高达97.09%@700W，相较于传统Si/SiC方案，重量减少20%。

汇川的氮化镓车载电源适用于电池电压范围在200V至500V的车型，其对功率回路做了优化，优化了高频大功率PCB布线技术，降低高速开关带来的干扰与损耗。通过级联/并联变换器磁性元件整体集成设计，系统性优化体积与损耗。散热方面是采用一体型材设计的水道结构，增大散热面积，降低热阻，同时减小体积与重量。

◎传统的车载充电机一般采用PFC(PowerFactor Correction功率因数校正)和HVDC(高压直流转换器)组合的两级拓扑，其电路结构复杂，且成本较高。而单级方案仅需一次隔离变换，就能实现交流与直流双向功率控制，可有效精简系统设计。联合电子车展期间就展出一款单级式氮化镓OBC，拥有6.8kW/L最高功率密度，96%满载效率。最核心的优势就是省去了中间母线电容和独立PFC级，元件数量减少以及降低成本和体积。

◎单级式：交流输入→单级高频逆变→变压器隔离→整流滤波→直接输出至电池。

◎两级式：交流输入→PFC整流→中间母线→DC-DC隔离变换→输出至电池。

02.主驱氮化镓应用落地

氮化镓（GaN）相比传统IGBT和碳化硅（SiC），具有更高开关频率、更低开关损耗和更优成本。具体而言，氮化镓场效应晶体管(FET)可以较低的系统成本提供最好的效率，同时使系统更轻、更小、温度更低。具体到应用端最直接的就是提高功率转换效率。以200kW逆变器系统为例，采用氮化镓可将整机效率从95%提升至99%。这意味着可以将满负载工况下的功率损耗从10kW锐减至2kW，降幅高达80%。

由此产生的技术红利体现在三个维度：首先，8kW的有效功率释放可转化为牵引系统的直接动力增益；其次，系统热耗的大幅降低使得散热需求减少，配套冷却系统的体积和重量可缩减；而且这种系统级优化可转化为续航里程提升，或在不改变续航指标的前提下实现电池组容量缩减。

◎车展期间浩思动力发布的Gemini微型增程器就是搭载的氮化镓功率模块，也是全球首款应用氮化镓功率模块的混动系统。这款浩思自研的冰刃系列氮化镓功率模块采用了PCB嵌入式封装工艺，实现了系统整体效率提升2%、驱动电控单元体积缩减超30%。

其氮化镓器件用的是安世半导体级联型氮化镓器件，采用了叠层结构和级联配置，结合了安世最新的650V高压GaN HEMT H4技术和将低压硅MOSFET技术，优化了栅极驱动并增强了系统稳定性，通过使用导通电阻Rds(on)低至几毫欧的GaN芯片结合PCB嵌埋封装功率半导体模块设计，可最小化封装产生的寄生电感，并且降低了连接电阻以及缩短了电流环路。

◎上海电驱动车展期间也展出了一款氮化镓的主驱模块，其氮化镓器件用的是VisIC 650V D3GaN™。D3GaN™设计既不是基于固有栅极限制的增强型氮化镓技术，也不是基于限制性能的共源共栅耗尽型氮化镓的技术，是一种新型的耗尽型直接驱动氮化镓技术。

当前的功率GaN FET有两个主流方向：增强型（E-mode，单芯片常关器件）和耗尽型（D-mode，双芯片常关器件）。目前E-mode栅极有稳定性和漏电流的问题，而驱动双芯片常关（或者说共源共栅配置）的D-mode器件非常简单并稳健。上海电驱动的这款跟浩思动力这款GaN功率器件都属于耗尽型。但D3GaN™相较于级联拓扑结构，具有更好的开关性能，并且比e-mode器件更具鲁棒性。

03.氮化镓能否主流替代

◎OBC里面用氮化镓主要是其开关损耗非常低，跟SiC一样没有反向恢复损耗，同时具有更高临界电场和更高迁移率的WBG材料，能够在更高的电压下提供最低的导通电阻RDS(on)，具备明显更好的开关品质因数。还能让OBC变得更小，因为氮化镓功率晶体管支持更快的开关速度和更高的工作频率，有助于改善信号控制，为无源滤波器设计提供更高的截止频率，降低纹波电流，从而帮助缩小电感、电容和变压器的体积。

◎主驱里面用氮化镓其实整体效率提升不多，由于电机绕组的限制，在牵引逆变器中使用GaN器件需要大幅降低其开关速度。dV/dt被限制在10 V/ns左右，然而GaN器件仍具有优化电机的巨大潜力，随着测量结果越来越好，当前市场对于使用氮化镓的信心也在逐渐增强。