电动汽车动力系统正朝着更高电压方向发展，以实现更快的充电速度和更高的效率。现代设计采用800V架构，以便在合理电流下实现大功率充电。然而，这一转变也带来了挑战：电力电子器件必须能够安全地处理这些电压。800V电池系统在运行中电压可能接近950V，因此通常需要额定电压约为1200V的半导体器件来提供可靠的裕量。

碳化硅(SIC)和氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)半导体通过实现更高的开关频率，改变了车载充电器(OBC)的设计。宽禁带器件可在数百千赫兹甚至兆赫兹频率下工作，且损耗可控，而硅基IGBT可能仅限于数十千赫兹。频率的提高使得可以使用更小的磁性元件和电容器，从而减小OBC的尺寸和重量。

本文将探讨垂直氮化镓(vGaN)如何成为电动汽车车载充电器中可靠的1200V级功率器件，以及这一转变对电力电子设计的意义。我们将理解横向氮化镓架构的局限性，解释垂直结构如何克服电压和可靠性限制，并分析其对转换器拓扑结构、开关性能和系统级效率的影响。

同质氮化镓

氮化镓功率晶体管最初以横向结构进入市场。在这些器件中，电流平行于芯片表面流动，从源极到漏极穿过在GaN/AlGaN界面形成的二维电子气(2DEG)。横向氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)在<600至650V的中等电压下被证明可实现高效快速开关。

然而，横向架构的局限性在更高电压下开始显现。横向器件的击穿电压受限于漏极与栅极(或源极)之间的表面距离，并且较高的电场往往集中在表面边缘。在650V左右，硅基氮化镓HEMT很难进一步发展。

解决方案是将器件几何结构改为垂直氮化镓(vGaN)，其中电流垂直于氮化镓晶体的厚度方向流动。通过采用垂直结构，氮化镓器件可以利用更厚的漂移区来承受更高的电压。这需要氮化镓衬底，而不是像硅这样的异质衬底，因为器件将通过衬底导电。vGaN最关键的优势在于它消除了横向表面电压限制。击穿电压由氮化镓体厚度和掺杂处理。

简而言之，vGaN器件可以设计成SiC mosfet或二极管，具有1200V、1700V或更高的阻断电压。据安森美半导体称，在横向硅基氮化镓器件中，GaN层可能只有5微米厚，而GaN同质垂直器件的外延层厚度可超过40微米，这提高了耐压能力。

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除了能够生长更厚的层之外，转向同质氮化镓还能带来材料质量的进一步提升。在异质衬底上生长的GaN存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配，导致GaN薄膜中位错密度更高。这些晶体缺陷可能导致可靠性问题和高漏电流。相比之下，在原生GaN衬底上生长的GaN，其缺陷密度可低至10³至10⁵ cm⁻²范围。这提高了器件的耐用性。

安森美半导体报告称，其1200V vGaN原型器件开关速度更快，损耗约为同类早期器件的一半。他们还强调，这些垂直器件在约三分之一的芯片面积上即可实现与等效横向GaN器件相当的性能。

首款vGaN功率器件来自NexGen Power Systems，该公司宣布其1200V GaN器件已在全电压下以>1MHz的频率进行开关。GaN的快速开关意味着即使在1200V电压下，工程师也可以将频率推至兆赫兹范围，从而可能减小磁性元件的尺寸。然而，在实际应用中，热管理和电磁干扰(EMI)考虑因素可能会影响频率提升的程度。

对OBC拓扑结构的影响

一个影响是，工程师可以为800V电池系统实现两电平转换器拓扑结构。例如，三相交流OBC输入产生的直流母线电压为750至800V。但在三相整流器中使用650V GaN FET可能存在风险，因为在最坏情况下器件可能承受接近其650V额定值的电压。一种策略是使用多电平整流器，例如Vienna拓扑结构，使每个开关承受大约一半的母线电压。

采用1200V GaN后，则无需这种折衷方案。每相支路采用简单的两电平全桥PFC变得可行。研究人员预计，1200V GaN的出现将显著影响OBC的AC/DC级。例如，三相有源前端可以作为单相的两电平电路运行，并通过添加一个低频支路或旁路开关来减少元件数量和复杂性。

在OBC的DC/DC级，高压GaN器件提供了更多选择。用于800V电池组的隔离式转换器使用1200V初级开关。使用相同额定值的GaN FET，设计人员可以在谐振转换器中实现更高频率的操作，从而缩小变压器和滤波器。GaN的低输出电荷和零反向恢复使其即使在软开关转换器中也十分理想，因为它可以减少循环能量和损耗。

另一个重要意义在于实现单级或超紧凑型OBC架构。如果GaN能在1200V电压下快速开关，就可以使用单级实现PFC和直流输出调节的AC-DC转换器拓扑结构。这些拓扑结构较为复杂，但GaN的速度使其更具可行性。一项关于基于GaN的OBC研究的综述指出，单级拓扑结构可提供最高的功率密度和简洁性。

图2

vGaN能否挑战SiC?

短期内，SiC很可能在800V级电动汽车电力电子器件的生产中保持主导地位。SiC器件已实现大规模生产，并被设计到许多平台中。垂直GaN器件需要时间来获得同等程度的认证和信任。汽车设计周期很长。即使完美的GaN晶体管在2026年问世，可能也要到2028-29年才能出现在量产汽车中。

然而，vGaN在技术层面上绝对有潜力挑战SiC。如果展望未来几年，我们可能会看到OBC系统中基于SiC的功率器件被真正取代。实现98%效率、以100 kHz而非10 kHz频率开关以降低电机损耗或噪声的OBC，正是GaN能够支持的下一代改进。

未来的一个场景是两者共存。例如，GaN有潜力成为车载充电器、DC-DC转换器和辅助电源单元的首选解决方案，这些应用场景的功率水平在数十千瓦，高开关频率能带来更大益处。而对于高性能车辆的主牵引逆变器——该场景涉及数百千瓦功率且器件长时间处于大电流状态——SiC可能仍是首选。

成本是vGaN与SiC竞争中的另一个决定性因素。垂直GaN需要使用GaN衬底，而目前这种衬底价格昂贵。如果vGaN能够在6英寸或8英寸GaN晶圆上以合理的良率进行生产，那么对于大批量电动汽车零部件来说，成本效益可能会发生逆转。汽车公司将采用能在成本与性能之间提供最佳平衡的技术。