汽车应用中的宽带隙材料-电子发烧友网

宽带隙半导体 (WBG)，例如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)，与硅相比具有更出色的性能：更高的效率和开关频率、更高的工作温度和工作电压。EV 和 HEV 包括几个功率转换阶段，累积功率损耗可以达到初始可用功率的 20%。WGB 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 半导体可以获得重要的改进，例如：更高的功率效率、更小的尺寸、更轻的重量和更低的总成本。

GaN 和 SiC 的优势

WBG材料具有较大的能带隙，即价带上限与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。带隙允许半导体根据可从外部控制的电气参数在导通 (ON) 和阻断 (OFF) 状态之间切换。碳化硅和氮化镓等 WBG 材料的带隙分别等于 3.3 eV 和 3.4 eV，明显高于硅 (1.12 eV) 和砷化镓 (1.4 eV) 的带隙值。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，因此也意味着更高的击穿电压。GaN 和 SiC 等 WBG 半导体克服了硅的理论限制，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点可总结如下：

较低的导通电阻;

更高的击穿电压;

更高的导热性;

在较高温度下运行;

更高的可靠性;

接近零反向恢复时间;

出色的高频性能。

碳化硅汽车应用

图 1 显示了可在任何电动或混合动力汽车中找到的主要功率器件：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)并捕获通过再生断路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而来。今天，市场上有多种不同电压等级和不同功率等级(通常在 1kW 到 5kW 范围内)的高压电池。可能需要其他可选组件，取决于再生电路是否支持单向或双向能量传输。辅助逆变器/转换器从高压电池向多个辅助系统供电，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过程中控制电池状态。此操作应以智能方式执行，以便延长电池寿命。随着电池寿命的增加，应优化电池使用，平衡充电和放电期间的性能。车载电池充电器起着重要作用，因为它允许从标准电源插座为电池充电。这是对设计师的额外要求，因为同一电路应支持不同的电压和电流水平。还应提供对未来功能的规定，例如双向电力传输(其中充电器还从汽车向智能电网供电)。

图 1：HEV/EV 包括多个高功率设备

氮化镓马达驱动器

汽车应用需要尺寸越来越紧凑和性能越来越高的电动机。传统上基于 MOSFET 和 IGBT 硅晶体管的电机驱动器电路在满足此类要求方面表现出越来越大的困难。硅技术实际上已达到其理论极限，其限制首先涉及：功率密度、击穿电压和开关频率，而这反过来又会影响功率损耗。

这些限制的主要影响主要表现为效率的次优水平，此外还有在高温和高开关速率下运行时的潜在问题。例如，考虑在等于或大于 40 kHz 的开关频率下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，对总功率损耗产生连锁效应。为了散发过量产生的热量，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总重量外，还会由于占用空间过大而造成不利影响。基于氮化镓 (GaN) 的 HEMT(高电子迁移率晶体管)器件提供卓越的电气特性，在高压和高开关频率电机控制应用中，它们可以作为 MOSFET 和 IGBT 晶体管的有效替代品。图 2 分别显示了与使用硅和氮化镓技术构建的功率器件相关的总体损耗趋势。虽然可以认为传导损耗是恒定的，但对于这两种材料，开关损耗的行为不同。随着开关频率的增加，GaN HEMT 晶体管的开关损耗明显低于硅 MOSFET 或 IGBT 的开关损耗，并且这种差异在开关频率越高时更加明显。虽然可以认为传导损耗是恒定的，但对于这两种材料，开关损耗的行为不同。随着开关频率的增加，GaN HEMT 晶体管的开关损耗明显低于硅 MOSFET 或 IGBT 的开关损耗，并且这种差异在开关频率越高时更加明显。虽然可以认为传导损耗是恒定的，但对于这两种材料，开关损耗的行为不同。随着开关频率的增加，GaN HEMT 晶体管的开关损耗明显低于硅 MOSFET 或 IGBT 的开关损耗，并且这种差异在开关频率越高时更加明显。