電動汽車 (EV) 和混合動力電動汽車 (HEV) 正在尋找提高功率轉換效率的解決方案。

長期以來，大多數(shù)電子功率器件都是基于硅的，硅是一種可以在加工過程中幾乎不會產生任何缺陷的半導體。然而，硅的理論性能現(xiàn)在幾乎已經完全實現(xiàn)，突出了這種材料的一些局限性，包括有限的電壓阻斷能力、有限的傳熱能力、有限的效率和不可忽略的傳導損耗。與硅相比，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 半導體具有更出色的性能：更高的效率和開關頻率、更高的工作溫度和更高的工作電壓。

EV 和 HEV 包括多個功率轉換級，累積功率損耗可達到初始可用功率的 20%。WBG 半導體極大地提高了功率轉換級的效率，在電壓轉換器、功率 MOSFET 和高效肖特基二極管的制造中充當硅的有效替代品。與硅 (Si) 和砷化鎵 (GaAs) 相比，WBG 半導體提供了重要的改進，例如更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總體成本。

GaN 和 SiC

WBG 材料的優(yōu)點是能帶隙比較大;即價帶上限和導帶下限之間存在的能隙。電子可以通過帶隙并通過熱或光激發(fā)進入傳導區(qū)。

更寬的帶隙意味著更大的電擊穿場，但也意味著在更高的溫度、電壓和頻率下工作的機會。寬帶隙也意味著更高的擊穿電場，因此更高的擊穿電壓。GaN 和 SiC 等 WBG 半導體克服了硅提供的理論限制，顯著提高了性能，即使在最惡劣的條件下也能高效可靠地運行。與硅相比，這些材料提供的主要優(yōu)勢包括：

· 較低的導通電阻

· 更高的擊穿電壓

· 更高的熱導率

· 在更高溫度下運行

· 更高的可靠性

· 近零反向恢復時間

· 出色的高頻性能

· 碳化硅汽車應用

碳化硅汽車應用

任何 EV 或 HEV 中的主要功率器件，基于 SiC 的器件可以有效地替代基于硅的器件來實現(xiàn)這些功能。主逆變器是汽車中的關鍵部件。它控制電動機(無論其類型如何：同步、異步或無刷直流)并捕獲通過再生制動釋放的能量，并將其返回給電池。在 EV 和 HEV 中，DC-DC 轉換器的任務是提供 12V 電源系統(tǒng)總線，將其從高壓電池轉換。如今，市場上有幾種不同電壓等級和不同功率等級(通常在 1 kW 到 5 kW 范圍內)的高壓電池?？赡苄枰渌蛇x組件，

輔助逆變器/轉換器將來自高壓電池的電力提供給多個輔助系統(tǒng)，例如空調、電子助力轉向、PTC 加熱器、油泵和冷卻泵。電池管理系統(tǒng)在充電和放電期間控制電池狀態(tài)。以可以延長電池壽命的方式執(zhí)行此操作。隨著電池老化，應優(yōu)化電池使用，平衡充電和放電期間的性能。車載電池充電器發(fā)揮著重要作用，因為它允許從標準電源插座為電池充電。這是對設計人員的額外要求，因為同一電路支持不同的電壓和電流水平。對未來能力的規(guī)定，

GaN 電機驅動器

汽車應用要求電機尺寸越來越緊湊，性能越來越高。傳統(tǒng)上基于 MOSFET 和 IGBT 硅晶體管的電機驅動器電路在滿足這些要求方面表現(xiàn)出越來越大的困難。事實上，硅技術已達到其理論極限，在功率密度、擊穿電壓和開關頻率方面存在限制——這反過來又會影響功率損耗。

這些限制的主要影響表現(xiàn)在效率的次優(yōu)水平，

這些是在高溫和高開關率下運行的潛在問題。例如，考慮一個以等于或大于 40 kHz 的開關頻率工作的硅基功率器件。在這些條件下，開關損耗大于傳導損耗，對整體功率損耗產生級聯(lián)效應。為了散發(fā)過多產生的熱量，必須使用合適的散熱器，這種解決方案除了會增加成本和設備的整體重量外，還可能由于占用空間過大而不利。

基于 GaN 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件具有卓越的電氣特性，可作為高壓和高開關頻率電機控制應用中 MOSFET 和 IGBT 晶體管的有效替代品。采用硅和 GaN 技術構建的功率器件相關的總體損耗趨勢。雖然傳導損耗可以被認為是恒定的，但對于這兩種材料，開關損耗的行為不同。隨著開關頻率的提高，GaN HEMT 晶體管的開關損耗明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT，而且開關頻率越高，這種差異越明顯。