氮化镓(GaN)晶体管的出现已经有一段时间了，其主要应用是射频功率放大。现在，随着最近的发展，特殊的GaN器件开始为不断发展的电动汽车（EV）带来真正的改进。现代电动汽车的主要电子子系统包括车载充电器(OBC)、多个dc-dc转换器、逆变器和某种形式的电源管理。由于大多数EV电路涉及高功率，通常需要采用分立元件设计。这就需要一些特殊的分立晶体管，它们能够在高电压和高电流下生存并提供服务。这些器件的新例子是德州仪器开发的LMG3522R030-Q1和LMG3525R030-Q1 GaN场效应晶体管(FET)。
特征
以下是TI GaN FET的主要功能的简短列表：
使用12V非稳压电源供电
由硅上GaN制成
集成栅极驱动器
高达2.2MHz的开关速率
高压能力高达600/650 V
内部监控温度以及欠压和过压状况
30至150 V / ns的摆率适应性使您可以控制电磁干扰（EMI）
30mΩ的低导通电阻
在半桥配置中，最大功率可达4 kW
优点
以下是采用这些设备带来的一些好处：
能够达到等效设计功率密度的至少两倍
效率99％
功率因数校正（PFC）应用中的更高效率。
最多减少59％的功率磁使用
较小的滤波电容器，导致…
更小的PCB并减轻重量
远距离行驶时对速度的需求
经过这些年的大肆宣传和讨论，电动汽车仅占美国汽车总销量的一小部分，大约5％，具体取决于您问谁。那么，为什么消费者不购买具有所有潜在优势的这些机器呢？阻碍了三个大问题：
范围焦虑
充电时间
高成本
加满油后，普通的内燃机（ICE）汽油车可以行驶300至400英里。而且，如果您的汽油不足，您可以在数十个，甚至数百个加油站加油，然后再行驶300或400英里。即使是今天最好的电动汽车也不是这样。即使是今天充满电的最新电动汽车，最大续航里程也大约为250英里，这使人们感到恐惧。
但这还不是全部。如果有许多充电站可供使用，那么买家知道在附近有个可以插入的地方，便可以放心。事实并非如此。确实存在的东西很少被其他绝望的司机占用。如果您每天只是短途通勤，那么您在电动汽车中可能还可以。您可能只需要隔夜收费。否则，潜在的买家由于距离焦虑而远离。
第二个问题是充电时间长。将EV电池充满电需要花费几个小时。使用典型的家用充电器充满电的时间约为15到30小时。较新的更高功率的直接直流充电器要快得多，但确实需要在房屋内使用240V的连接。可能会在一夜之间充满电。但是，这将在您需要时在某些充电站上浪费大量时间。
加满汽油只需要5到10分钟。我们需要用电动车达到或接近这个点。新的电池类型可能会更好，但它们还没有被发现。所以，更快的充电器和更多的充电站是答案。但是，什么时候呢？
最后，价格高。你最近给特斯拉或同等的全电动车定价了吗？很少有人能承受其4万到10多万的价格。成本会降下来吗？可能不会，鉴于我们政府的过度扩张状态。但更好的设计和电子子系统可以帮助。
集会的呼声肯定是“行驶得更远，充电更快”。
设计未来的电动汽车
新型电动汽车的电子系统的主要要求之一是减小尺寸和重量。新的大功率设备通常必须适合旧硬件占用的狭窄空间。而且必须大大减轻重量。
此类要求的主要目标是车载充电器。对于更大的电池和具有挑战性的充电时间，需要额外的功率。3至4千瓦范围内的当前功率水平必须达到20千瓦水平，才能显着减少充电时间。而且，顺便说一句，将OBC的尺寸和重量减半。
解决方案是转向宽带隙（WBG）半导体，例如改进的硅MOSFET和SiC等特殊器件。但是现在，汽车行业已经发现了GaN及其益处。GaN器件可以在2 MHz +的频率下更快地切换，从而可以使用更小，更轻的变压器和电感器。电容器也是如此。
较小的值和大小可节省空间。由此产生的新设计更小，更轻。加上超低的导通电阻，您不仅可以节省大量功率，而且热量更少，散热器更小，从而可以实现更小的封装。
切换速度也是一个因素。对于其中一些新型GaN晶体管，其上升和下降时间为10 ns，因此可以节省功耗。但是控制上升/下降时间是最小化EMI的秘诀。如前所述，TI的新型GaN器件可实现30至150V / ns的上升/下降时间范围，使设计人员可以微调EMI。此外，快速切换意味着更低的功耗。结果是最终产品的效率更高，高达99％。
片上栅极驱动器是这些晶体管性能的主要因素。如已经发现的，为HEMT GaN晶体管设计良好的栅极驱动器需要花费大量的精力，这是一个时间问题。没有这种需求，设计人员可以将精力集中在设计中其他更关键的部分。
使用GaN器件时出现的一个有趣的因素是缺少所谓的体二极管。大多数MOSFET本质上在源极和漏极之间都有一个二极管，这是由于器件的几何形状和物理结构而引起的。使用传统MOSFET进行设计时，此功能对电路有一定的限制。
消除虚拟二极管可使GaN器件具有零反向恢复，从而使其在大功率开关模式电源中比竞争性器件更可行。此外，较小的栅极电荷和较小的输入和输出电容可提高效率。
相反，理想二极管模式可实现自适应死区时间。它无需外部电路或控制装置即可自动实现快速，同步的FET操作。
