使用碳化硅和氮化鎵來滿足電動汽車設計要求，如今已成為促進可持續(xù)發(fā)展的下一代汽車設計標準?？諝鈩恿W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，電力電子設計師必須著眼于新技術。

先進的寬帶隙(WBG) 半導體材料，尤其是 GaN 和 SiC，代表了對現(xiàn)有半導體技術(如 MOSFET 和 IGBT)的改進?；旧?，帶隙對應于將電子從材料的價帶激發(fā)到導帶所需的能量。從這個意義上說，WBG 材料的帶隙比硅高得多。WBG 半導體允許設備在比硅高得多的電壓、頻率和溫度下工作，并且開關和導通損耗明顯較低。WBG 材料的導通和開關特性也比傳統(tǒng)硅好大約 10 倍。這些特性使 WBG 技術成為電力電子的自然應用，特別是對于 EV 應用，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)的復雜性和更高的成本來評估 WBG 設備的優(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造層面上更簡單——例如，使用更小的散熱器。

汽車設計中 SiC 和 GaN 器件的技術考慮

WBG 功率技術是電動汽車和混合動力汽車成功的關鍵，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，汽車電力電子設計人員可以利用最先進的 WBG 半導體，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 被配置為一種關鍵技術，專為多種電動汽車應用而設計，例如牽引逆變器、車載充電器 (OBC) 和 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器。

合作伙伴內(nèi)容

環(huán)保與效率并重：YMIN超級電容器SDS/SLX系列徹底改變電子筆市場

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

圖 1：WBG 技術與工作頻率和系統(tǒng)功率的關系(來源：意法半導體)

圖 2：電動汽車系統(tǒng)中的 SiC 應用(來源：意法半導體)

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)中的關鍵組件，可以從 WBG 設備中受益。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 器件具有更高的導電性和更高的開關頻率。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，與使用硅器件構建的類似設計相比，可以將 OBC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設計集成到更小、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)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帶。WBG 半導體的擊穿電壓高得多，而導通電阻非常小。這簡化了設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，但還必須滿足設計規(guī)范對應用空間和重量的要求。使用GaN技術的 OBC 設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)基礎設施中電動汽車采用的關鍵發(fā)展。雙向 OBC 允許電動汽車充當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。基于 GaN 和 SiC 的設備可實現(xiàn)先進的雙向拓撲結(jié)構，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 具有更低的開關損耗、更高的開關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。雖然典型的硅 MOSFET 具有較低的開關速度，但 GaN 器件以更高的速度切換以實現(xiàn)盡可能低的損耗。基于這種操作水平，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。在為汽車應用設計 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。在高壓和高功率應用領域，這些器件為汽車領域帶來了優(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的應用范圍現(xiàn)已擴展到具有高效率和高開關頻率要求的高壓應用，例如 HV/HV DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器、多相逆變器和快速開關輔助驅(qū)動器(如燃料電池壓縮機)。

WBG SiC 和 GaN 技術在使電動汽車和充電基礎設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，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，它關注客戶的需求。從這個意義上講，領先的電力電子制造商會定期發(fā)布幾代設備，下一代設備的性能將比上一代設備更好。

未來的電動汽車將通過戰(zhàn)略性地結(jié)合使用 GaN 和 SiC 半導體來釋放其全部潛力，并滿足日益增長的市場預期。選擇 GaN 和 SiC 半導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，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。