电动汽车的GaN功率
GaN对于电动汽车的电源改进也功不可没。马达驱动和直流/直流控制中广泛使用的绝缘栅双极晶体管(IGBT)一直是基于Si的产品。这些设计的开关时间通常在10k~100kHz数量级，而GaN组件的开关时间可以达到奈秒(ns)级，并且能够轻松地在200℃的汽车环境下工作。
就像SiC一样，GaN组件由于具有更高的开关速度，因此也能缩小电源架构中电感、电容和变压器的尺寸，还能因被动组件尺寸的缩小而减少总体积和重量。
我们将根据电动汽车电池的化学成分分析它们的功效，比如基于锂的化学成分以及具有高能量密度的镍氢电池(NiMH)。如前面SiC组件部分所述，为了使一次充电能够行驶更长的距离，同样需要提高电源转换架构的效率。
Si组件的开关速度和最小导通电阻已经达到最大极限，GaN似乎是超越这些极限的一种可行的方案。实验表明，如果开关频率可以提高5倍，电感和电容的体积就可以缩小至五分之一。今天的GaN技术可以支持很高的速度。
GaN功率组件在4个关键领域表现相当卓越：高温工作、更高的击穿电压、低导通电阻及适合更高工作频率的奈米级开关速度。这些优势和GaN与SiC类似，而它们的区别有两点：LED和射频晶体管一直使用GaN；许多Si工艺兼容GaN工艺，与SiC较高的基底成本相比，降低了晶圆成本及工艺成本。
由于早在2003年就解决了可靠性问题，因此今天的技术成功让第一个GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)组件进行投产。这些都是常态导通(normally-on)组件，因此0V的栅极电压将形成导通状态，小于0V的任何电压都将关断组件。早期使用的是SiC基板(substrate)，一旦Si基板能与GaN完美结合，生产成本就能显著降低。在2014年，一个新的级联架构实现将常态导通组件变为常断(normally-off)组件。
自此以后，驱动技术获得长足发展，整合度越来越高，电源逆变器也有显著进步。GaN组件在电动汽车的电池充电器中也有不凡表现，这些充电器由交流/直流转换器加直流/直流转换器组成。这种组合就是一种功率因子控制器(PFC)(图2)。
▲图2 典型的电动汽车电源架构
利用GaN，加上开关速度更高的GaN HEMT，可以实现更小的被动组件。增加的频率透过较小的电感将功率架构引向较低的涟波(ripple)电流，因此改善了功率因子，并得到体积更小、成本更低的电容。更低的涟波电流对电容的应力也更小，从而提高其可靠性和寿命。
过去几年来GaN的可靠性已经被提高到一个很高的标准，这是GaN在汽车中使用的关键。
利用混合动力汽车传动系统效率降低温室气体排放
目前约72%的交通排放由行驶在道路上的汽车产生。改进混合动力汽车传动系统设计以提高其效率是降低排放的主要手段。一种方法是增强DC-link电压控制架构的效率，这意味着首先需要提高串联型混合动力汽车传动系统的电源转换器效率。
DC-link通常连接三个传动系统：由三相整流器组成的初级电源；由双主动桥式(DAB)直流/直流转换器组成的次级电源；由三相位逆变器组成的推进负载(图3)，它们与串联式混合动力汽车相关。
▲图3 混合动力汽车的传动系统框图
在DC-link和电池电压不相等的设计拓扑中，直流/直流转换器中间解决方案是必需的。有篇IEEE的论文《用于提高串联式混合动力汽车中电源电路效率的电压控制方法(Voltage Control for Enhanced Power Electronic Efficiency in Series Hybrid Electric Vehicles)》描述了研究不同架构的许多方法以及用于各种DC-link电压和直流/直流转换器控制的方案。
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