汽車(chē)應(yīng)用中的寬帶隙材料

電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) (HEV) 正在尋找提高功率轉(zhuǎn)換效率的解決方案。

長(zhǎng)期以來(lái)，大多數(shù)電子功率器件都是基于硅的，硅是一種可以在加工過(guò)程中幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何缺陷的半導(dǎo)體。然而，硅的理論性能現(xiàn)在幾乎已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)，突出了這種材料的一些局限性，包括有限的電壓阻斷能力、有限的傳熱能力、有限的效率和不可忽略的傳導(dǎo)損耗。與硅相比，碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體具有更出色的性能：更高的效率和開(kāi)關(guān)頻率、更高的工作溫度和更高的工作電壓。

EV 和 HEV 包括多個(gè)功率轉(zhuǎn)換級(jí)，累積功率損耗可達(dá)到初始可用功率的 20%。WBG 半導(dǎo)體極大地提高了功率轉(zhuǎn)換級(jí)的效率，在電壓轉(zhuǎn)換器、功率 MOSFET 和高效肖特基二極管的制造中充當(dāng)硅的有效替代品。與硅 (Si) 和砷化鎵 (GaAs) 相比，WBG 半導(dǎo)體提供了重要的改進(jìn)，例如更高的功率效率、更小的尺寸、更輕的重量和更低的總體成本。

GaN 和 SiC

WBG 材料的優(yōu)點(diǎn)是能帶隙比較大;即價(jià)帶上限和導(dǎo)帶下限之間存在的能隙。電子可以通過(guò)帶隙并通過(guò)熱或光激發(fā)進(jìn)入傳導(dǎo)區(qū)。

更寬的帶隙意味著更大的電擊穿場(chǎng)，但也意味著在更高的溫度、電壓和頻率下工作的機(jī)會(huì)。寬帶隙也意味著更高的擊穿電場(chǎng)，因此更高的擊穿電壓。GaN 和 SiC 等 WBG 半導(dǎo)體克服了硅提供的理論限制，顯著提高了性能，即使在最惡劣的條件下也能高效可靠地運(yùn)行。與硅相比，這些材料提供的主要優(yōu)勢(shì)包括：

· 較低的導(dǎo)通電阻

· 更高的擊穿電壓

· 更高的熱導(dǎo)率

· 在更高溫度下運(yùn)行

· 更高的可靠性

· 近零反向恢復(fù)時(shí)間

· 出色的高頻性能

· 碳化硅汽車(chē)應(yīng)用

碳化硅汽車(chē)應(yīng)用

任何 EV 或 HEV 中的主要功率器件，基于 SiC 的器件可以有效地替代基于硅的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。主逆變器是汽車(chē)中的關(guān)鍵部件。它控制電動(dòng)機(jī)(無(wú)論其類型如何：同步、異步或無(wú)刷直流)并捕獲通過(guò)再生制動(dòng)釋放的能量，并將其返回給電池。在 EV 和 HEV 中，DC-DC 轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是提供 12V 電源系統(tǒng)總線，將其從高壓電池轉(zhuǎn)換。如今，市場(chǎng)上有幾種不同電壓等級(jí)和不同功率等級(jí)(通常在 1 kW 到 5 kW 范圍內(nèi))的高壓電池?？赡苄枰渌蛇x組件，

輔助逆變器/轉(zhuǎn)換器將來(lái)自高壓電池的電力提供給多個(gè)輔助系統(tǒng)，例如空調(diào)、電子助力轉(zhuǎn)向、PTC 加熱器、油泵和冷卻泵。電池管理系統(tǒng)在充電和放電期間控制電池狀態(tài)。以可以延長(zhǎng)電池壽命的方式執(zhí)行此操作。隨著電池老化，應(yīng)優(yōu)化電池使用，平衡充電和放電期間的性能。車(chē)載電池充電器發(fā)揮著重要作用，因?yàn)樗试S從標(biāo)準(zhǔn)電源插座為電池充電。這是對(duì)設(shè)計(jì)人員的額外要求，因?yàn)橥浑娐分С植煌碾妷汉碗娏魉?。?duì)未來(lái)能力的規(guī)定，

GaN 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

汽車(chē)應(yīng)用要求電機(jī)尺寸越來(lái)越緊湊，性能越來(lái)越高。傳統(tǒng)上基于 MOSFET 和 IGBT 硅晶體管的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路在滿足這些要求方面表現(xiàn)出越來(lái)越大的困難。事實(shí)上，硅技術(shù)已達(dá)到其理論極限，在功率密度、擊穿電壓和開(kāi)關(guān)頻率方面存在限制——這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響功率損耗。

這些限制的主要影響表現(xiàn)在效率的次優(yōu)水平，

這些是在高溫和高開(kāi)關(guān)率下運(yùn)行的潛在問(wèn)題。例如，考慮一個(gè)以等于或大于 40 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率工作的硅基功率器件。在這些條件下，開(kāi)關(guān)損耗大于傳導(dǎo)損耗，對(duì)整體功率損耗產(chǎn)生級(jí)聯(lián)效應(yīng)。為了散發(fā)過(guò)多產(chǎn)生的熱量，必須使用合適的散熱器，這種解決方案除了會(huì)增加成本和設(shè)備的整體重量外，還可能由于占用空間過(guò)大而不利。

基于 GaN 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件具有卓越的電氣特性，可作為高壓和高開(kāi)關(guān)頻率電機(jī)控制應(yīng)用中 MOSFET 和 IGBT 晶體管的有效替代品。采用硅和 GaN 技術(shù)構(gòu)建的功率器件相關(guān)的總體損耗趨勢(shì)。雖然傳導(dǎo)損耗可以被認(rèn)為是恒定的，但對(duì)于這兩種材料，開(kāi)關(guān)損耗的行為不同。隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，GaN HEMT 晶體管的開(kāi)關(guān)損耗明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT，而且開(kāi)關(guān)頻率越高，這種差異越明顯。