GaN技术在电力电子中的应用概述

逍遥设计自动化

引言
氮化镓（GaN）技术通过实现更高效率、更快开关速度和更高功率密度，显著提升了电力电子性能。与传统硅器件相比，GaN技术具有明显优势。本文探讨GaN技术在各个领域的关键应用[1]。

/ z, `" G5 n1 H' ~GaN工作原理基础
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' t5 H; P! D/ S2 \+ d' h图1说明了激光雷达3D成像系统的工作原理，展示了光线发射、反射和探测过程，以及如何创建点云数据。

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图2展示了激光器在室温（蓝色）和高温（红色）条件下的特性曲线，包括光功率与电流、电压与电流、效率与电流三个关键参数的对比。
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0 I) F( o7 K) n) `6 ~DC-DC转换应用
在DC-DC转换应用中，GaN器件在降压转换器和LLC转换器方面表现出色。对于汽车48V/12V应用，GaN场效应晶体管比同类MOSFET具有四倍优异的性能指标。

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2 R$ O, ?! y# B) m3 F图3描绘了脉冲激光驱动线路的基本结构，显示了激光器运行所需的基本组件和连接。

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图4展示了分立激光驱动器解决方案的详细激光功率和开启栅极驱动环路，说明了线路设计的复杂性。

1 c6 B' }% ~# t电机驱动应用
在电机驱动应用中，GaN晶体管显著提高了性能和效率。优异的开关性能有助于减少死区时间并提高PWM频率，实现更平稳的运行和更高的系统效率。

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图5显示了EPC9173板在无刷直流电机驱动示例应用中的方框图，展示了电机驱动系统中各组件的集成。

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* m1 f& i) s& E9 L& y图6展示了EPC9186三相逆变器，每个开关并联四个EPC2302器件，展示了高电流应用的并联配置。

& B8 D. ^, \0 C  R6 P3 \) S航天应用
2 o' U; Z) G6 e7 u在航天应用中，GaN器件相比硅MOSFET表现出优异的抗辐射性能。在伽马辐射、中子辐射和重离子轰击等各类辐射下，GaN器件保持稳定性能。
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, C; x, ~- g3 k* i图7对比了(a)典型硅MOSFET和(b)增强型GaN器件的横截面结构，突出显示了结构差异。
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图8展示了eGaN器件在500 kRad辐射测试下的结果，证明了抗辐射硬度。
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电动汽车应用
在电动汽车应用中，GaN技术推动了高效率功率转换系统的发展。800V架构的转型为GaN器件在车载充电器和牵引逆变器方面创造了机会。

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9 r* g' B* g, \' g1 N4 }; ^- j7 S图9概述了电动汽车动力系统的关键组件，展示了各种功率转换系统的集成。

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7 `: k0 n' X1 S% O! z% U1 u3 b图10说明了三电平FCML在800V电动汽车高功率车载充电器前端功率因数校正线路中的实现。
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制造与发展展望
GaN器件制造需要专业的代工服务，面临独特的挑战。行业持续改进生产工艺，在保持高质量标准的同时降低成本。

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图11显示了(a)开发的GaN三电平FCML转换器硬件和(b)热测试结果，展示了散热管理能力。

7 ^5 s5 H* C1 f8 i0 cGaN技术在消费电子、汽车和航空航天系统等各个应用领域不断扩展。随着制造工艺日益成熟和成本下降，GaN器件在下一代电力电子中的作用将更加显著。

& q: f* T  L) T1 m9 e通过精心的设计考虑和适当的实施，GaN技术相比传统硅器件具有显著优势。更高的效率、更快的开关速度和更高的功率密度使GaN成为现代电力电子应用的理想选择。

% F3 p% D! E% G$ F参考文献
# U+ U8 D5 u6 t6 _9 W9 W[1] M. Di Paolo Emilio, Ed., "GaN Technology Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion," in Applications of GaN Technology, Switzerland: Springer Nature, 2024, pp. 111-192. doi: 10.1007/978-3-031-63238-9_5
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