開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)通過(guò)將開(kāi)關(guān)與能量存儲(chǔ)元件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電壓或電流調(diào)節(jié)。這項(xiàng)技術(shù)最初在20世紀(jì)引入，最早使用機(jī)械開(kāi)關(guān)、真空管，最后使用基于半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)。存儲(chǔ)元件的大小與能量存儲(chǔ)需求成正比，而這種需求則由轉(zhuǎn)換器的功率要求和工作頻率決定。

因此，提高轉(zhuǎn)換器的工作頻率可以減少能量存儲(chǔ)元件的體積，這直接影響到轉(zhuǎn)換器的總體積、功率密度和成本。通過(guò)使用寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體器件，可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。這篇文章帶你了解WBG基半導(dǎo)體器件在汽車(chē)應(yīng)用中的具體應(yīng)用。

在任何電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車(chē)中，重要的功率器件如圖1所示。主逆變器是汽車(chē)中的關(guān)鍵組件，用于控制電動(dòng)機(jī)，同時(shí)通過(guò)再生制動(dòng)捕獲釋放的能量并將其回饋給電池。所使用的電動(dòng)機(jī)可以是同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)或無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)汽車(chē)(EV)中，DC-DC轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將高電壓電池的電能轉(zhuǎn)換為低電壓，以供電力系統(tǒng)總線使用。輔助逆變器或轉(zhuǎn)換器則從高電壓電池中提供電源，供給空調(diào)、電子助力轉(zhuǎn)向、油泵和冷卻泵等多個(gè)輔助系統(tǒng)。

電池管理系統(tǒng)在充電和放電過(guò)程中控制電池的狀態(tài)。這可以通過(guò)智能方式進(jìn)行，以延長(zhǎng)電池的使用壽命。隨著電池年齡的增長(zhǎng)，需要通過(guò)平衡充電和放電周期的性能來(lái)優(yōu)化電池單元的使用。在這種情況下，車(chē)載電池充電器起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗沟秒姵啬軌驈臉?biāo)準(zhǔn)電源插座充電。

這被視為設(shè)計(jì)師的額外要求，因?yàn)橥浑娐沸枰С植煌碾妷汉碗娏魉?。此外，還需要為未來(lái)的雙向電力傳輸?shù)饶芰ψ龊脺?zhǔn)備。最好的部分是，基于SiC的器件可以高效地替代基于硅的器件，以實(shí)現(xiàn)所有這些功能。

電力電子元件，如牽引逆變器、DC升壓轉(zhuǎn)換器和車(chē)載電池充電器，是混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)(EV)中的關(guān)鍵元素。能量效率可能通過(guò)兩種關(guān)鍵方式受影響——直接通過(guò)開(kāi)關(guān)損耗和其他損耗，間接通過(guò)增加車(chē)輛的體積和重量。已知基于WBG的逆變器能夠通過(guò)在更高的開(kāi)關(guān)頻率、效率和溫度下運(yùn)行，減少直接和間接損耗。通過(guò)采用基于SiC的牽引逆變器，預(yù)計(jì)可以提高代表性混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的能量效率。

通過(guò)增加動(dòng)力總成電氣化，還可以實(shí)現(xiàn)更大的能量節(jié)省。此外，基于WBG轉(zhuǎn)換器所實(shí)現(xiàn)的高效、輕量和低成本的直流快速充電基礎(chǔ)設(shè)施，將推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的商業(yè)可行性和采用率。結(jié)合清潔的電力生成組合，這有潛力顯著減少美國(guó)四分之一的溫室氣體排放，這些排放源于交通運(yùn)輸部門(mén)。

汽車(chē)應(yīng)用對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求日益趨向于緊湊型和高性能。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路傳統(tǒng)上基于硅半導(dǎo)體，但在滿(mǎn)足這些嚴(yán)格要求方面日益面臨困難。實(shí)際上，硅技術(shù)正達(dá)到其理論極限，受到功率密度、擊穿電壓和開(kāi)關(guān)頻率等限制，從而影響功率損耗。這些限制的主要影響主要表現(xiàn)為效率未達(dá)到最佳水平。此外，在高溫和高開(kāi)關(guān)速率下操作時(shí)，還可能出現(xiàn)潛在問(wèn)題。

在高頻操作時(shí)，基于硅的功率器件的開(kāi)關(guān)損耗大于導(dǎo)通損耗，這對(duì)整體功率損耗產(chǎn)生連鎖影響。為了散發(fā)產(chǎn)生的過(guò)剩熱量，需要使用合適的散熱器。這帶來(lái)了成本增加、整體設(shè)備重量增加和占地面積過(guò)大的缺點(diǎn)。

相對(duì)而言，基于氮化鎵(GaN)的器件被認(rèn)為提供了更優(yōu)越的電氣特性，成為高電壓和高開(kāi)關(guān)頻率電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用中傳統(tǒng)MOSFET和IGBT晶體管的替代方案。隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加，基于GaN的晶體管的開(kāi)關(guān)損耗顯著低于基于硅的傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件。

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