汽車行業對提高燃油效率和減少 CO 2排放的雙重追求為支持這些平臺的傳感器系統、電池管理系統和發動機的所有其他部件帶來了許多技術問題。電動汽車 (EV) 正受益于技術進步，這些進步帶來了更低的價格，同時還提供了許多消費者想要的更高的續航里程。市場受到更高容量電池、更高效電動機和用于整個動力系統的創新寬帶隙 (WBG) 半導體解決方案的混合驅動。氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 等 WBG 材料具有卓越的固有特性，可提供各種系統級優勢以提高性能。

電動汽車的動力總成系統涉及多種解決方案，從車載充電器到電池及其管理系統。今天的電池驅動了整體成本，這主要取決于每個電池的成本及其機械保護外殼。電池的大小是電池壽命和成本之間的折衷：更多的電池意味著更多的自主權，但同時也更昂貴。

電池、DC/DC 轉換器、車載充電器和牽引逆變器都包含在混合動力和電動動力系統的不同外殼中。設計人員現在可以利用單個域控制器和功率級來集成這些系統。這有助于他們提高效率和可靠性，同時降低成本并滿足功能安全標準。

用于電動汽車的 WBG 半導體

電動汽車和混合動力電動汽車 (HEV) 的制造商正在為多個動力總成階段尋找高效的動力轉換解決方案。WBG 半導體在幾個方面提供了優于硅的性能優勢：更高的效率和開關頻率，以及承受更高工作溫度和電壓的能力。

GaN 的帶隙為 3.2 電子伏特 (eV)，約為硅的 1.1 eV 的 3 倍。這表明在半導體的導電帶中激發一個價電子需要更多的能量。盡管這一特性限制了 GaN 在超低電壓應用中的適用性，但它確實允許更高的擊穿電壓和更高溫度下的熱穩定性。

因為需要更多的能量來激發半導體導電帶中的價電子，所以可以實現更高的擊穿電壓、更高的效率和更好的高溫熱穩定性。碳化硅 MOSFET 的主要優點是低漏源導通電阻 (R DS(on) )，在相同擊穿電壓下比硅器件低 300 倍至 400 倍。

更小的電路和更輕的重量，以及改進的重量分布和更低的總功耗，都是在逆變器中采用 SiC 技術的優勢。這是因為 SiC MOSFET 可以在更高的開關頻率下工作，從而使逆變器的許多電路組件變得更小。與傳統的硅功率半導體相比，SiC 器件還可以在更高的電壓和電流下工作，從而提高功率密度并降低開關損耗，即使在高溫下也是如此。

GaN 和 SiC 解決方案

為了使 EV 能夠更快地充電，汽車電力電子設計人員需要 GaN 和 SiC 器件以及能夠滿足 EV 效率和功率密度要求的新動力總成架構。為了在給定電池容量的情況下獲得最大的充電續航里程，整個電源轉換鏈必須達到可能的最大效率。電池必須具有非常高的能量存儲密度。電動汽車的電池壽命直接反映了其動力總成系統的效率。

GaN 是制造高效電壓轉換器、功率 MOSFET 和肖特基二極管的硅的有吸引力的替代品，因為它顯著提高了功率轉換級的效率。與硅相比，GaN 提供了重要的改進，例如更高的能效、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總體成本。

GaN 和 SiC 都具有大的帶隙。雖然這些材料都很好用，但它們的特性、應用和柵極驅動要求都是獨一無二的。在大功率和超高壓（650 V 以上）應用中，SiC 晶體管可能會與 IGBT 晶體管競爭。在電壓高達 650 V 的電源應用中，GaN 可能會與當前的 MOSFET 和超結 MOSFET 競爭。

圖 1：硅和 WBG 功率半導體應用的系統功率水平作為工作頻率的函數。。（來源：意法半導體）

電動汽車中的牽引逆變器需要具有數百安培電流能力的電源開關來支持數百千瓦的功率。這些系統更適合 IGBT 或 SiC MOSFET。另一方面，額定功率高達 25 kW 的車載充電器和 HV-to-LV DC/DC 轉換器非常適合 GaN。

SiC 1,700-V 技術是硅 IGBT 的替代品。SiC 技術在降低系統尺寸和重量的同時提供更高的開關頻率，而由于開關頻率限制以避免額外的損耗，硅會在電路拓撲結構中做出妥協。SiC 的物理特性為大功率電子設備提供了理想的物理結構，從而改善了重量和形狀方面的形狀因數，這對于汽車應用至關重要。

Microchip Technology Inc. 的全新SiC 產品線MSC035SMA170B 系列通過使用具有更少組件和更簡單控制方法的兩級拓撲，解決了 IGBT 的挑戰。由于沒有開關限制，電源轉換設備可能更小更輕，從而可以安裝更多充電站，并擴大重型卡車、電動巴士和其他電池供電商用車輛的續航里程和運行時間。

Microchip 強調了新產品組合的主要特性：穩定的閾值電壓、無退化的體二極管、最小的 R DS(on)過溫增加、無與倫比的雪崩耐用性以及類似于 IGBT 的短路耐受時間。

圖 2：Microchip Technology 的 SiC 電源解決方案。。（來源：微芯科技）

GaN 是一種用途極其廣泛的半導體材料，可以在高溫和高壓下工作，有助于有效滿足各種通信和工業設計的要求。電動汽車領域的挑戰之一是快速高效充電的發展。GaN 技術可以提供快速充電，以更有效的方式使用能源。

一個例子是德州儀器公司的GaN FET 解決方案，該解決方案具有集成的柵極驅動器，可將功率密度翻倍，同時將尺寸減小約 60%，并實現高達 2.2 MHz 的開關速率。這些 GaN FET 不僅具有集成的柵極驅動器，而且還具有溫度傳感器，允許有源電源管理以動態優化系統的熱性能。

由于不同的制造技術，“標準”FET 及其柵極驅動器在大規模電源系統中獨立使用。這會添加到寄生電感中，從而降低 GaN 的開關能力。開關損耗因共源電感而大大增加。

公式 E 要求

電動方程式是唯一一項測試下一代電動汽車最新技術的賽車賽事。電動方程式賽車的核心是它的動力單元，即推進系統，它由三個元件組成：電池、逆變器和電機。逆變器是系統的大腦。它負責將來自電池的直流電轉換成高密度的交流電，然后發送到發動機。然而，在減速過程中，再生電機制動被激活，電流沿反向路徑流動。

功率密度（或每單位表面的電流）、重量功率比和即時全功率可用性都是公式 E 的強制性要求。一個優點是逆變器的設計具有更大的靈活性，因為體積小–生產要求和更手動的逆變器組裝過程。

此外，冷卻液的選擇和冷卻特性可以更自由地選擇，冷卻系統的允許壓降更高。

與許多其他應用一樣，Formula E 硅 IGBT 模塊已逐漸被 SiC MOSFET 器件取代，這是一種很有前途的替代技術。由于重量輕和效率提高是關鍵因素，Formula E 可以受益于逆變器設計中 SiC MOSFET 的低損耗。

例如，Hitachi ABB Power Grids 的RoadPak 1.2-kV SiC MOSFET 半橋模塊（如圖 3 所示）具有小尺寸 (<70 × 75 mm) 和具有低損耗和高可靠性的最新一代 SiC MOSFET滿足電動汽車市場日益增長的需求。

圖 3：日立 ABB 電網 RoadPak 1.2kV SiC MOSFET 半橋模塊（來源：日立 ABB 電網）

EV 市場的 RoadPak 基線設計基于 8 個并行 SiC 芯片，可在不改變外形的情況下增加到 10 個。這是最實用的解決方案，因為制造中的良率挑戰限制了增加單個 SiC 芯片的活性表面。目前市場上的 SiC MOSFET 的有源面積小于 30 mm 2。

Formula E 正在突破電力電子技術的極限，帶來一系列新的 SiC 解決方案。通過提供更簡單的冷卻系統、更長的續航里程和更好的性能，電動汽車將受益于新的 SiC 電源解決方案。它們還將延長 EV 的電池壽命，并且通過改進的車載充電器和 DC/DC 轉換器使電池充電速度更快。

芯片公司和 Formula E 之間的眾多合作伙伴關系將使電動汽車受益于眾多工程解決方案，不僅來自 SiC 芯片制造商，而且來自 GaN 芯片制造商。

審核編輯 黃昊宇