汽车应用中的宽带隙材料

电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV) 正在寻找提高功率转换效率的解决方案。

长期以来，大多数电子功率器件都是基于硅的，硅是一种可以在加工过程中几乎不会产生任何缺陷的半导体。然而，硅的理论性能现在几乎已经完全实现，突出了这种材料的一些局限性，包括有限的电压阻断能力、有限的传热能力、有限的效率和不可忽略的传导损耗。与硅相比，碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等宽带隙 (WBG) 半导体具有更出色的性能：更高的效率和开关频率、更高的工作温度和更高的工作电压。

EV 和 HEV 包括多个功率转换级，累积功率损耗可达到初始可用功率的 20%。WBG 半导体极大地提高了功率转换级的效率，在电压转换器、功率 MOSFET 和高效肖特基二极管的制造中充当硅的有效替代品。与硅 (Si) 和砷化镓 (GaAs) 相比，WBG 半导体提供了重要的改进，例如更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总体成本。

GaN 和 SiC

WBG 材料的优点是能带隙比较大;即价带上限和导带下限之间存在的能隙。电子可以通过带隙并通过热或光激发进入传导区。

更宽的带隙意味着更大的电击穿场，但也意味着在更高的温度、电压和频率下工作的机会。宽带隙也意味着更高的击穿电场，因此更高的击穿电压。GaN 和 SiC 等 WBG 半导体克服了硅提供的理论限制，显着提高了性能，即使在最恶劣的条件下也能高效可靠地运行。与硅相比，这些材料提供的主要优势包括：

· 较低的导通电阻

· 更高的击穿电压

· 更高的热导率

· 在更高温度下运行

· 更高的可靠性

· 近零反向恢复时间

· 出色的高频性能

· 碳化硅汽车应用

碳化硅汽车应用

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来实现这些功能。主逆变器是汽车中的关键部件。它控制电动机(无论其类型如何：同步、异步或无刷直流)并捕获通过再生制动释放的能量，并将其返回给电池。在 EV 和 HEV 中，DC-DC 转换器的任务是提供 12V 电源系统总线，将其从高压电池转换。如今，市场上有几种不同电压等级和不同功率等级(通常在 1 kW 到 5 kW 范围内)的高压电池。可能需要其他可选组件，

辅助逆变器/转换器将来自高压电池的电力提供给多个辅助系统，例如空调、电子助力转向、PTC 加热器、油泵和冷却泵。电池管理系统在充电和放电期间控制电池状态。以可以延长电池寿命的方式执行此操作。随着电池老化，应优化电池使用，平衡充电和放电期间的性能。车载电池充电器发挥着重要作用，因为它允许从标准电源插座为电池充电。这是对设计人员的额外要求，因为同一电路支持不同的电压和电流水平。对未来能力的规定，

GaN 电机驱动器

汽车应用要求电机尺寸越来越紧凑，性能越来越高。传统上基于 MOSFET 和 IGBT 硅晶体管的电机驱动器电路在满足这些要求方面表现出越来越大的困难。事实上，硅技术已达到其理论极限，在功率密度、击穿电压和开关频率方面存在限制——这反过来又会影响功率损耗。

这些限制的主要影响表现在效率的次优水平，

这些是在高温和高开关率下运行的潜在问题。例如，考虑一个以等于或大于 40 kHz 的开关频率工作的硅基功率器件。在这些条件下，开关损耗大于传导损耗，对整体功率损耗产生级联效应。为了散发过多产生的热量，必须使用合适的散热器，这种解决方案除了会增加成本和设备的整体重量外，还可能由于占用空间过大而不利。

基于 GaN 的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 器件具有卓越的电气特性，可作为高压和高开关频率电机控制应用中 MOSFET 和 IGBT 晶体管的有效替代品。采用硅和 GaN 技术构建的功率器件相关的总体损耗趋势。虽然传导损耗可以被认为是恒定的，但对于这两种材料，开关损耗的行为不同。随着开关频率的提高，GaN HEMT 晶体管的开关损耗明显低于硅 MOSFET 或 IGBT，而且开关频率越高，这种差异越明显。