汽车设计的几乎每一个组成部分，包括底盘、动力总成、信息娱乐、连接和驾驶辅助系统(ADAS)，都在汽车领域经历着快速的发展和创新。

设计人员正在寻求先进技术，通过从基于硅的解决方案转向使用宽禁带半导体材料（例如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)）的功率半导体技术来迈出下一步的创新，他们用于新能源电动汽车的功率密度更高、效率更高的电路。

除了高压电池（范围从V到V）和相关的电池管理系统之外，电动汽车至少包括四种用于能量转换的电子单元：

车载充电器

DC-DC转换器，通常从高压到12V，用于为低压电子设备供电

用于驱动通常为三相交流电机的电动机的直流-交流牵引逆变器，以及用于在制动能量回收期间以及从标准住宅或大功率充电站为车辆电池充电的AC-DC转换器。

碳化硅的优势

作为WBG半导体，SiC提高了电子系统的功率密度，同时还降低了整体尺寸、重量和成本。由于其特性，碳化硅一直是电动汽车的技术加速器。

由于其更宽的带隙、更强的击穿电场和更高的热导率，随着硅接近其理论极限，SiC在电力电子领域越来越受欢迎。碳化硅基MOSFET在损耗、开关频率和功率密度方面比硅基MOSFET更高效。

当试图提高EV的效率和续航里程，同时降低其重量和价格以增加控制电子设备的功率密度时，出现了在EV中采用SiC的概念。

由于SiC器件与常用硅相比具有多种理想品质，因此越来越多地用于对尺寸、重量和效率有严格要求的高压功率转换器。由于SiC的热导率比硅高近3倍，因此组件可以更快地散热。

由于SiC器件，通态电阻和开关损耗也显着降低。这一点很重要，因为SiC比传统硅更有效地散热，随着硅基器件尺寸越来越小，从电转换过程中提取热量变得更具挑战性。

图1显示了硅、SiC、GaAs和GaN之间一些相关特性的比较。需要说明的是，目前，4H-SiC是实际功率器件制造中普遍优选的多晶型结构。不同直径的单晶4H-SiC晶圆可在市场上买到。

图1：SiC和其他材料的特性。

对于电动汽车，牵引逆变器可以节省最多的电能，其中SiCFET可以取代绝缘栅双极晶体管(IGBT)，从而显着提高效率。由于电机是磁性元件，其尺寸不会随着逆变器开关频率的升高而直接减小，因此开关频率保持在较低水平——通常为8kHz。

典型牵引逆变器的电路如图2所示，包括三个半桥元件（高侧和低侧开关——每个电机相一个开关——栅极驱动器控制每个晶体管的低侧开关。对于一个长期以来，这种拓扑结构一直基于分立式或功率模块IGBT以及续流二极管。

如今，6个并联的低RDS(ON)SiCFET在kW输出时效率超过99%，可能会取代IGBT及其并联二极管，从而将功率损耗降低3倍。在车辆使用更频繁的较轻负载下，这种改进甚至更好，损耗比IGBT技术低5至6倍，并且具有更低的栅极驱动功率和无“拐点”电压的好处，可以在轻负载时更好地控制。更低的损耗意味着更小、更轻、更便宜的散热器，以及更远的射程。

由于SiC较高的缺陷密度和衬底（晶圆）制造方法，它仍然比硅贵得多。然而，芯片制造商已经能够通过使用大量基板和降低故障密度来降低总体生产成本。

图2：基于三相逆变器的驱动器。

GaN的优势

另一种比硅高近3倍的WBG材料是GaN。宽带隙意味着需要更大的功率来激发半导体导带中的价电子。由于这一特性，氮化镓不能用于超低电压应用，但它具有允许更高击穿电压和更高热稳定性的优势。

氮化镓可显着提高功率转换级的效率，使其成为制造肖特基二极管、功率MOSFET和高效电压转换器的理想硅替代品。与硅相比，WBG材料还具有显着优势，包括更高的能效、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总成本。

SiC可以在高功率和超高电压（超过V）应用中与IGBT晶体管竞争，而GaN可以在电压高达V的电源应用中与电流MOSFET和超结(SJ)MOSFET竞争。氮化镓FET可以在V/ns下切换并具有零反向恢复。因此，它们的开关功率损耗非常低。对于需要MHz范围内开关频率的应用，GaN可能是最佳选择。

在电动汽车中，GaNFET非常适合：

在电动汽车中，氮化镓场效应晶体管非常适用于。

AC-DCOBC。

高压（HV）到低压（LV）的直流-直流转换器，以及

低电压DC-DC转换器。

氮化镓的栅极和输出电荷比类似的硅器件低，这是它的优点之一。基于氮化镓的设计现在可以实现大幅加快的开启和回转速度，同时也能最大限度地减少损失。因此，基于氮化镓的逆变器减少了开关损耗，以及大功率应用中的传导损耗。在电动车中，这种效率的提高直接转化为更长的续航能力，或与较小的电池相当的续航能力。

使用案例：主逆变器

电动汽车动力系统的牵引逆变器将电池的直流电转化为交流电，以驱动电机。牵引变频器的效率必须提高，以实现。

在电池成本不变的情况下，实现更长的续航里程，减少充电周期，延长电池寿命。

或者，使用更小和更低成本的电池来实现相同的范围。

效率、功率密度和冷却要求都在很大程度上取决于用于电动汽车牵引逆变器的半导体。现代电动车中的三相交流电机的开关频率高达20kHz，电压高达1,V。这与硅基MOSFET和IGBT的操作极限相当接近。如果没有可观的技术进步，硅基MOSFET和IGBT将很难满足下一代电动汽车更严格的操作规范。

这些限制是由硅半导体的物理限制和器件本身的设计造成的。大型IGBT和MOSFET很难在高频率下进行开关，并且由于它们从ON状态逐渐过渡到OFF状态而承受开关损耗。

尽管逆变器在更高的工作频率下更有效，但这些改进很快就被器件固有的开关损耗所抵消。此外，变频器的工作频率有一个极限，由于器件的开关时间过长，超过这个极限就无法运行。

氮化镓和碳化硅技术可以很好地相互补充，并将继续使用。氮化镓器件在几十伏到几百伏的应用中工作良好，而碳化硅更适合于大约1到许多千伏的电源电压。它们目前覆盖了不同的电压范围。氮化镓的开关损耗在中、低压应用中（低于1,V）比SiC在V时至少少3倍。碳化硅在一些产品中可提供V的电压，但它通常是为1V或更高电压而制造的。

从系统的角度来看，氮化镓的好处来自于尺寸、重量和成本的减少，其中包括BOM成本（其他系统元件如电容、散热器和电感器的价格）、消耗成本和冷却成本。例如，将一个电源的电源从硅换成GaN可以减少变压器等磁性元件的尺寸。所有这些都是可能的，同时获得更高的效率、更高的功率密度，甚至可能两者兼得。

硅在V以下仍有竞争力。然而，在更高的电压下，SiC和GaN允许有效的高频和大电流操作。所有的器件都适用于V的电动车母线电压，而V左右是硅、SiC和GaN之间的主要冲突发生的地方。虽然GaN的发展不如SiC，但许多专家都认为它在汽车行业有着巨大的前景。

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