光伏微逆、数据中心先行，GaN OBC也在加快进度

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）去年12月，英飞凌公布了自己的OBC产品战略路线，未来将采用SiC和GaN等第三代半导体来提高OBC功率密度，其中GaN会在2025年后应用到OBC上，届时功率密度将会提高至6kW/L以上。
 
今年以来，GaN落地的应用场景在持续增多，比如在光伏和数据中心领域。在光伏领域，GaN功率器件高频特性能够大幅提高微型逆变器的功率密度，其次更低的导通损耗，能够提高转换效率，降低损耗，同时提高系统的可靠性和使用寿命。
 
相对而言，GaN在汽车上的进展显得稍慢，除了在座舱内无线充电等场景应用外，其他车用场景包括OBC、主驱逆变器等目前还未有大规模应用GaN的案例出现。所以OBC上GaN器件，产业链上下游进展如何？
 
GaN在OBC上的应用优势
 
从英飞凌的产品战略路线图也能够看出，GaN实际上能够大幅提高OBC的功率密度，这与GaN FET的高频特性有关。GaN器件的开关速度比硅器件快得多，这意味着可以通过提高开关频率，从而减小无源元件的尺寸，比如变压器、电感和电容器等，进一步减少整体体积和重量。
 
根据TI的数据，使用其GaN功率器件可以实现超过500kHz 的 CLLLC 开关频率和 120kHz 的 PFC 开关频率，同时集成栅极驱动器简化了系统级设计，使用GaN的OBC功率密度可以比使用SiC的OBC更高，系统转换效率也高达96.5%。
 
有案例显示，使用GaN的OBC方案能够比SiC方案尺寸缩小60%，同时还实现比SiC高62%的开关频率，因此能相比SiC拥有更高的功率密度和转换效率。
 
GaN功率器件的低导通电阻，也是提高OBC系统效率的一环，比如在相同的结面积情况下，GaN的导通电阻仅有5mΩ/cm2, 硅的导通电阻为10mΩ/cm2。
 
理论上的性能优势，让各大企业都在推进GaN上车的计划，而OBC由于不涉及到行驶安全，相比主驱的应用来说，失效带来的风险较小，因此OBC也成为了目前GaN上车的首选。
 
大厂进场，GaN OBC进展加速
 
GaN上车其实在几年前就成为了行业内头部企业的主要目标之一。2021年纳微半导体预测，一辆电动车中，潜在能够应用到GaN的部件的市场机会超过250美元，到了2025年，电动汽车中，GaN功率芯片市场机会总值每年将有望超过25亿美元。
 
而纳微半导体也在2021年第四季度，在上海设立了第一个面向全球的电动汽车相关应用产品研发中心，开始布局OBC、主驱逆变器等领域的GaN应用，希望进军汽车市场。
 
在各大GaN厂商的规划中，GaN将会在400V平台的车型上被应用到主驱逆变器、DC-DC、OBC等各个方面。包括早在2020年GaN Systems就展示了一款全GaN汽车，几乎所有功率器件都采用了GaN，证明GaN在汽车功率转换方面应用的可行性。
 
最早对外宣布在汽车上尝试应用GaN的车企是宝马集团。宝马在2021年宣布与GaN Systems合作，就宝马高性能车载标准的GaN功率半导体签署了全面的产能协议，当时合作金额达1亿美元。
 
英飞凌在2023年收购了GaN Systems，目前在英飞凌官网上可以看到GaN Systems在汽车领域的一些成功案例，比如电动汽车滑板底盘公司Canoo与GaN Systems合作的一款7.2kW电动汽车OBC，PFC峰值效率高达98.7%，合并效率也达到了96%。
 
海拉也采用了GaN Systems的器件推出了一款22kW的OBC，功率密度高达4kW/L，相比采用硅功率器件的OBC功率密度提高了3倍，能源效率也超过96%。
 
TI则早在2022年就展示了基于GaN器件的6.6kW OBC参考设计，该的参考设计PFC 工作频率为 120kHz，而 CLLLC 在 200kHz 至 800kHz 的可变频率范围内运行。峰值系统效率为 96.5%，该数值在 3.8kW/L 开放式框架功率密度下实现。
 
更早之前，以色列的功率GaN公司VisIC也推出过一款6.7kW的车载OBC参考设计，功率密度接近3kW/L，负载范围内充电效率超过96%。
 
去年GaN Systems未被收购前，在应用电力电子会议(APEC 2023)上发布了一款11kW/800V的GaN OBC参考设计，与现有的SiC OBC相比，这款参考设计功率密度提升了36%，BOM成本还能降低至少15%。这主要是由于采用了无桥图腾柱功率因数校正结构和三阶飞驰电容(Flying Capacitor)拓扑。
 
据称三界飞驰电容拓扑中采用GaN器件可以达到极高的切换频率，有效降低一半的电压压力，所以可以在800V电源系统中使用650V GaN器件。不过GaN Systems也提到这种新型的拓扑结构并不是公司独创，而是还处于学术研究阶段，公司克服了从实验室到量产的障碍，让OBC厂商可以尽快评估这种新型拓扑的应用潜力。
 
而近年来，确实已经有越来越多的OBC厂商开始与GaN厂商合作，开发在OBC、充电桩等领域的GaN应用。
 
写在最后:
 
GaN在光伏微逆上的成功应用，相信会给OBC等车载领域市场使用GaN带来更多的信心。按照汽车芯片大厂英飞凌的计划，2025年会将GaN应用到OBC上，而实际落地的车型可能也已经离我们不远了。