使用碳化硅和氮化鎵來滿足電動汽車設(shè)計要求，如今已成為促進可持續(xù)發(fā)展的下一代汽車設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?？諝鈩恿W(xué)線條或更輕的材料不足以保證電動汽車的效率。為了滿足效率和功率密度要求，電力電子設(shè)計師必須著眼于新技術(shù)。

先進的寬帶隙(WBG) 半導(dǎo)體材料，尤其是 GaN 和 SiC，代表了對現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)(如 MOSFET 和 IGBT)的改進?；旧?，帶隙對應(yīng)于將電子從材料的價帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需的能量。從這個意義上說，WBG 材料的帶隙比硅高得多。WBG 半導(dǎo)體允許設(shè)備在比硅高得多的電壓、頻率和溫度下工作，并且開關(guān)和導(dǎo)通損耗明顯較低。WBG 材料的導(dǎo)通和開關(guān)特性也比傳統(tǒng)硅好大約 10 倍。這些特性使 WBG 技術(shù)成為電力電子的自然應(yīng)用，特別是對于 EV 應(yīng)用，因為 SiC 元件和 GaN 可以同時具有更小的尺寸、更高的速度和更高的效率。

然而，還必須根據(jù)大規(guī)模生產(chǎn)的復(fù)雜性和更高的成本來評估 WBG 設(shè)備的優(yōu)勢。雖然 WBG 組件最初可能更昂貴，但它們的成本會持續(xù)下降，并最終在未來節(jié)省整個系統(tǒng)的成本。例如，在電動汽車中使用 SiC 設(shè)備可能會使初始成本增加數(shù)百歐元，但結(jié)果是總體節(jié)省，因為電池成本更低、所需空間更小，并且冷卻解決方案在構(gòu)造層面上更簡單——例如，使用更小的散熱器。

汽車設(shè)計中 SiC 和 GaN 器件的技術(shù)考慮

WBG 功率技術(shù)是電動汽車和混合動力汽車成功的關(guān)鍵，它通過克服電動汽車固有的一些限制，幫助加速電動汽車在全球范圍內(nèi)的普及。為了滿足電動汽車系統(tǒng)(如逆變器和集成充電器)日益提高的效率和功率密度要求，汽車電力電子設(shè)計人員可以利用最先進的 WBG 半導(dǎo)體，如 SiC 和 GaN。如上所述，與傳統(tǒng)硅器件相比，這些產(chǎn)品提供了一系列功能，包括更低的損耗、更高的開關(guān)頻率、更高的工作溫度、在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性和更高的擊穿電壓。SiC 被配置為一種關(guān)鍵技術(shù)，專為多種電動汽車應(yīng)用而設(shè)計，例如牽引逆變器、車載充電器 (OBC) 和 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器。

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GaN 和 SiC 可以在更高的溫度下工作，預(yù)期壽命相似，或者它們可以在與硅器件相似的溫度下工作，但壽命更長。如今，電力電子系統(tǒng)設(shè)計師可以根據(jù)具體應(yīng)用的要求選擇多種設(shè)計方案?？傮w而言，使用 WBG 材料可以讓您根據(jù)最終項目的目標(biāo)選擇不同的設(shè)計策略和路徑。例如，我們可以決定使用相同的開關(guān)頻率并增加輸出功率，或者我們可以使用相同的開關(guān)頻率并減少系統(tǒng)所需的散熱量，從而節(jié)省組件的總成本。否則，設(shè)計人員可以選擇增加開關(guān)頻率，同時保持開關(guān)中的功率損耗相同。如您所見，有許多可定制的選項。

圖 1：WBG 技術(shù)與工作頻率和系統(tǒng)功率的關(guān)系(來源：意法半導(dǎo)體)

圖 2：電動汽車系統(tǒng)中的 SiC 應(yīng)用(來源：意法半導(dǎo)體)

逆變器

逆變器控制電動汽車中的電動牽引電機。這是電動推進系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，可以從 WBG 設(shè)備中受益。逆變器的主要功能是將直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流波形以驅(qū)動汽車發(fā)動機，然后將再生制動產(chǎn)生的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓以給電池充電。為了驅(qū)動電動機，逆變器將電池組中存儲的能量轉(zhuǎn)換為交流電，因此轉(zhuǎn)換階段的損耗越低，系統(tǒng)的效率就越高。SiC與硅器件相比，SiC 器件具有更高的導(dǎo)電性和更高的開關(guān)頻率。因此，SiC 降低了功率損耗，因為以熱量形式耗散的能量更少。因此，SiC 基逆變器的效率越高，電動汽車的續(xù)航里程就越長。

如今，許多電動汽車制造商都將 SiC 功率模塊集成到主逆變器中。與使用硅制造的同類產(chǎn)品相比，采用 SiC 制造電動汽車逆變器可使其尺寸縮小約 5 倍、重量減輕約 3 倍，并將功率損耗降低一半。例如，與使用硅器件構(gòu)建的類似設(shè)計相比，可以將 OBC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計集成到更小、更輕、更高效的封裝中。

邊緣型血細胞

電動汽車充電系統(tǒng)(又稱 OBC)需要將電能從交流電(通常來自配電網(wǎng)絡(luò))轉(zhuǎn)換為直流電。通過 WBG 器件，可以實現(xiàn)用于電動汽車充電的新電路。WBG 器件的帶隙比硅大 2 到 3 倍，可以承受更大的電壓和電場，因為電子需要更多的能量才能從價帶移動到導(dǎo)帶。WBG 半導(dǎo)體的擊穿電壓高得多，而導(dǎo)通電阻非常小。這簡化了設(shè)計并提高了充電電路的效率。低值的 R DS(on)還可以減少開關(guān)和功率損耗，從而減小電路尺寸。

WBG 器件的另一個優(yōu)勢是，在相同的工作條件下，它們產(chǎn)生的溫度比基于硅的器件要低。在電源電路中，SiC 器件可以承受甚至高于 200°C 的結(jié)溫，而硅器件的結(jié)溫最高可達 150°C 左右。因此，在電動汽車充電器中使用 WBG 器件可以實現(xiàn)更高的開關(guān)速度和更好的能源效率，從而實現(xiàn)更緊湊、更易于冷卻的模塊。

OBC 在工廠安裝。在純電動汽車或插電式混合動力汽車中，OBC 提供從家庭交流電網(wǎng)或私人或公共充電站插座為電池充電的手段。OBC 使用交流/直流轉(zhuǎn)換器將 50/60 Hz 交流電壓(100 至 240 V)轉(zhuǎn)換為直流電壓，為高壓汽車電池充電(通常約為 400 V DC)。它還根據(jù)電池要求調(diào)整直流電流水平，提供電流隔離，并包括交流/直流功率因數(shù)校正。

在典型的電動汽車 OBC 中，通常采用 SiC 二極管。OBC 需要最高的效率和可靠性以確保快速充電時間，但還必須滿足設(shè)計規(guī)范對應(yīng)用空間和重量的要求。使用GaN技術(shù)的 OBC 設(shè)計可以簡化冷卻系統(tǒng)并減少充電時間和能量損失。雙向 OBC 是未來現(xiàn)代可持續(xù)智能電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中電動汽車采用的關(guān)鍵發(fā)展。雙向 OBC 允許電動汽車充當(dāng)能量庫或其他用途的能源，以幫助管理供需變化并幫助穩(wěn)定電網(wǎng)內(nèi)的負載?；?GaN 和 SiC 的設(shè)備可實現(xiàn)先進的雙向拓撲結(jié)構(gòu)，并可以優(yōu)化電源轉(zhuǎn)換器配置。

盡管 GaN 功率器件在商業(yè)層面上似乎略微落后于 SiC，但由于其出色的效率性能，它們正在迅速獲得市場份額。與 SiC 類似，GaN 具有更低的開關(guān)損耗、更高的開關(guān)速度和更高的功率密度，并允許減小整個系統(tǒng)的尺寸，這與重量和總成本有關(guān)。雖然典型的硅 MOSFET 具有較低的開關(guān)速度，但 GaN 器件以更高的速度切換以實現(xiàn)盡可能低的損耗?；谶@種操作水平，系統(tǒng)布局也可以對性能做出重要貢獻。多家制造商已經(jīng)為電動汽車和混合動力汽車中的 OBC 應(yīng)用開發(fā)了汽車級 SiC 器件，以減少能量損耗并在負載條件下實現(xiàn)更好的電氣性能。

DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器

DC/DC 轉(zhuǎn)換器為整個車輛的各種負載供電。在為汽車應(yīng)用設(shè)計 DC/DC 轉(zhuǎn)換器時，與普通硅 MOSFET 相比，GaN 器件可以節(jié)省功率并顯著減小電路尺寸和重量，同時還能實現(xiàn)更好的熱管理性能和可靠性。在高壓和高功率應(yīng)用領(lǐng)域，這些器件為汽車領(lǐng)域帶來了優(yōu)勢，可實現(xiàn)更小更輕的模塊，從而節(jié)省空間并提高能源效率。此外，結(jié)合 650-/700-V 功率晶體管和優(yōu)化柵極控制的 GaN IC 可以提供滿足功率效率需求的解決方案。高速下較低的能量損耗可提高范圍，從而增加工作頻率為 300 至 800 kHz 的轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)頻率，允許使用更小的無源元件來最大化緊湊模塊尺寸內(nèi)的功率密度。

圖 3：FF08MR12W1MA1_B11A EasyPACK CoolSiC 汽車 MOSFET 1,200-V 半橋模塊(來源：英飛凌科技)

圖 3 顯示了采用英飛凌全新 1,200 V 汽車CoolSiC MOSFET的 8 mΩ 半橋模塊。憑借全面的汽車級認證，CoolSiC的應(yīng)用范圍現(xiàn)已擴展到具有高效率和高開關(guān)頻率要求的高壓應(yīng)用，例如 HV/HV DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器、多相逆變器和快速開關(guān)輔助驅(qū)動器(如燃料電池壓縮機)。

WBG SiC 和 GaN 技術(shù)在使電動汽車和充電基礎(chǔ)設(shè)施能夠提供更長的行駛里程和更短的充電時間方面發(fā)揮了主導(dǎo)作用。這兩項改進都是必要的，以說服更多的購車者選擇能夠滿足其典型使用需求的電動汽車。一方面，不斷增長的市場帶來了更大的消費者壓力，要求先進的電動汽車技術(shù)，包括 OBC 和DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)更高的效率、功率密度和可靠性，降低功率損耗，從而實現(xiàn)更好的電氣性能。另一方面，它關(guān)注客戶的需求。從這個意義上講，領(lǐng)先的電力電子制造商會定期發(fā)布幾代設(shè)備，下一代設(shè)備的性能將比上一代設(shè)備更好。

未來的電動汽車將通過戰(zhàn)略性地結(jié)合使用 GaN 和 SiC 半導(dǎo)體來釋放其全部潛力，并滿足日益增長的市場預(yù)期。選擇 GaN 和 SiC 半導(dǎo)體是因為它們在汽車的不同角色中各有優(yōu)勢。雖然 SiC 可能仍是高壓下的首選技術(shù)，但電動汽車可以在較低電壓下利用 GaN 器件的優(yōu)勢來提高功率密度和效率。