汽車設(shè)計的幾乎每個組件，包括底盤、動力總成、信息娛樂、連接和駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)，都在汽車領(lǐng)域經(jīng)歷快速發(fā)展和創(chuàng)新。

設(shè)計人員正在尋求先進(jìn)技術(shù)，從基于硅的解決方案轉(zhuǎn)向使用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 材料的功率半導(dǎo)體技術(shù)，從而在創(chuàng)新方面邁出下一步。他們尋求用于電動汽車 (EV) 的功率密度更高、效率更高的電路。

碳化硅和氮化鎵常應(yīng)用于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

除了高壓電池（400V至800V）和相關(guān)電池管理系統(tǒng)（BMS）外，電動汽車還包括至少四種類型的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

車載充電器（OBC）：將外部電源轉(zhuǎn)換為適合電動汽車電池的電能，同時管理充電速度、保持電池溫度在安全范圍內(nèi)，提供充電信息并確保高充電效率。

DC-DC轉(zhuǎn)換器：通常從高壓到12V，用于為低壓電子設(shè)備供電。

直流-交流牽引逆變器：用于驅(qū)動電動機（通常是三相交流電動機）。

交流-直流轉(zhuǎn)換器：用于在制動能量回收過程中以及從標(biāo)準(zhǔn)住宅或高功率充電站為車輛電池充電。

碳化硅的優(yōu)點

SiC 一直是電動汽車的技術(shù)加速器。由于具有更寬的帶隙、更強的擊穿電場和更高的熱導(dǎo)率，隨著硅接近其理論極限，SiC在電力電子領(lǐng)域越來越受歡迎。碳化硅基MOSFET在損耗、開關(guān)頻率和功率密度方面比硅基MOSFET更高效。

當(dāng)人們嘗試提高電動汽車的效率和續(xù)航里程，同時降低其重量和價格以提高控制電子設(shè)備的功率密度時，出現(xiàn)了在電動汽車中采用 SiC 的概念。

由于與常用的硅相比，SiC器件具有多種理想的品質(zhì)，因此它們越來越多地用于具有嚴(yán)格尺寸、重量和效率要求的高壓電源轉(zhuǎn)換器。由于SiC的導(dǎo)熱率比硅高出近3倍，因此組件可以更快地散熱。

由于SiC器件，通態(tài)電阻和開關(guān)損耗也顯著降低。這一點意義重大，因為碳化硅比傳統(tǒng)硅更有效地散熱，隨著硅基器件尺寸越來越小，從電氣轉(zhuǎn)換過程中提取熱量變得更具挑戰(zhàn)性，散熱問題也重新進(jìn)入到要專業(yè)解決方案的狀態(tài)，但這帶來的是數(shù)倍的功率密度，這對電動汽車來說是十分值得的。

就電動汽車而言，牽引逆變器可以節(jié)省大部分電力，其中SiC FET 可以取代絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，從而顯著提高效率。由于電機是磁性組件，并且其尺寸不會隨著逆變器開關(guān)頻率的升高而直接減小，因此開關(guān)頻率保持在較低水平（通常為8kHz）。

典型牽引逆變器的電路如圖 所示，包括三個半橋元件（高側(cè)和低側(cè)開關(guān)——每個電機相一個——以及控制每個晶體管低側(cè)開關(guān)的柵極驅(qū)動器。長期以來，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直基于分立式或功率模塊 IGBT 以及續(xù)流二極管。

如今，在200kW輸出時效率高于99%的6個并聯(lián)低 RDS(ON) SiC FET可能會取代 IGBT 及其并聯(lián)二極管，從而使功率損耗減少3倍。在較輕負(fù)載、高頻使用下，這種改進(jìn)甚至更好，損耗比 IGBT 技術(shù)低 5 至 6 倍，并且具有低得多的柵極驅(qū)動功率和無“拐點”電壓的優(yōu)點，可在輕負(fù)載下實現(xiàn)更好的控制。更低的損耗意味著在低負(fù)載高頻操作下，車輛有更小、更輕、更便宜的散熱器，以及更大的續(xù)航里程，十分適合城市行車的用車場景。

由于SiC更高的缺陷密度和襯底（晶圓）制造方法，它仍然比硅貴得多。然而，芯片制造商已經(jīng)能夠通過使用大量基板并降低故障密度來降低總體生產(chǎn)成本，SiC的成本控制和量產(chǎn)不再是不可克服的缺陷。

氮化鎵的優(yōu)點

另一種比硅大近3倍的WBG材料是GaN。氮化鎵不能用于超低壓應(yīng)用，但它具有允許更高擊穿電壓和更高熱穩(wěn)定性的優(yōu)點。氮化鎵可顯著提高功率轉(zhuǎn)換級的效率，使其成為制造肖特基二極管、功率 MOSFET 和高效電壓轉(zhuǎn)換器的理想硅替代品。與硅相比，寬帶隙材料還具有顯著優(yōu)勢，包括更高的能源效率、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總體成本。

雖然SiC可以在高功率和超高壓（超過650V）應(yīng)用中與 IGBT 晶體管競爭，但GaN可以在電壓高達(dá)650V 的功率應(yīng)用中與電流 MOSFET 和超結(jié) (SJ) MOSFET 競爭，氮化鎵 FET 可以開關(guān)電壓 >100V/ns。GaN反向恢復(fù)為零，因此它們的開關(guān)功率損耗非常低，對于需要以兆赫茲為單位的開關(guān)頻率的應(yīng)用，GaN可能是最佳選擇。額定功率高達(dá)25kW的OBC和高壓至低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器非常適合GaN。

目前有的電動汽車中的牽引逆變器中的開關(guān)頻率高達(dá)20kHz，電壓高達(dá) 1,000V。這非常接近硅基MOSFET和IGBT的工作極限。如果沒有相當(dāng)大的技術(shù)進(jìn)步，硅基MOSFET和IGBT將難以滿足下一代電動汽車更嚴(yán)格的操作規(guī)范。這些限制是由硅半導(dǎo)體的物理限制和器件本身的設(shè)計造成的。大型IGBT和MOSFET由于從導(dǎo)通狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，因此很難在高頻下進(jìn)行開關(guān)并承受開關(guān)損耗。

盡管逆變器在較高工作頻率下更有效，但這些改進(jìn)很快就會被設(shè)備固有的開關(guān)損耗所抵消。此外，逆變器的工作頻率有一個限制，超過該限制，由于設(shè)備的開關(guān)周期較長，則無法進(jìn)行操作。

氮化鎵和碳化硅技術(shù)相輔相成，并將繼續(xù)使用。氮化鎵器件在數(shù)十伏至數(shù)百伏的應(yīng)用中表現(xiàn)良好，而碳化硅更適合大約一伏至數(shù)千伏的電源電壓。它們目前涵蓋不同的電壓范圍。對于中壓和低壓應(yīng)用（低于1200V），氮化鎵的開關(guān)損耗至少比650V下的SiC低3倍。碳化硅可用于某些650V的產(chǎn)品，但通常是針對1200V制造的或更大。

硅在高達(dá)650V的電壓下仍然具有競爭力。然而，在更高的電壓下，SiC和GaN可以實現(xiàn)有效的高頻和大電流操作。所有器件均適用于400V EV總線電壓，而650 V左右是Si、SiC和GaN之間發(fā)生主要沖突的地方。盡管 GaN 的發(fā)展程度不如 SiC，但許多專家一致認(rèn)為它在汽車行業(yè)也具有巨大的前景。