浮思特 | 宽带隙半导体技术能否引领汽车行业的电动化革命？

开关模式电源(SMPS)通过将开关与能量存储元件相结合，实现了电压或电流调节。这项技术最初在20世纪引入，最早使用机械开关、真空管，最后使用基于半导体的开关。存储元件的大小与能量存储需求成正比，而这种需求则由转换器的功率要求和工作频率决定。

因此，提高转换器的工作频率可以减少能量存储元件的体积，这直接影响到转换器的总体积、功率密度和成本。通过使用宽带隙(WBG)半导体器件，可以实现这一目标。这篇文章带你了解WBG基半导体器件在汽车应用中的具体应用。

在任何电动或混合动力汽车中，重要的功率器件如图1所示。主逆变器是汽车中的关键组件，用于控制电动机，同时通过再生制动捕获释放的能量并将其回馈给电池。所使用的电动机可以是同步电动机、异步电动机或无刷直流电动机。在电动汽车(EV)中，DC-DC转换器负责将高电压电池的电能转换为低电压，以供电力系统总线使用。辅助逆变器或转换器则从高电压电池中提供电源，供给空调、电子助力转向、油泵和冷却泵等多个辅助系统。

电池管理系统在充电和放电过程中控制电池的状态。这可以通过智能方式进行，以延长电池的使用寿命。随着电池年龄的增长，需要通过平衡充电和放电周期的性能来优化电池单元的使用。在这种情况下，车载电池充电器起着至关重要的作用，因为它使得电池能够从标准电源插座充电。

这被视为设计师的额外要求，因为同一电路需要支持不同的电压和电流水平。此外，还需要为未来的双向电力传输等能力做好准备。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，以实现所有这些功能。

电力电子元件，如牵引逆变器、DC升压转换器和车载电池充电器，是混合动力和电动汽车(EV)中的关键元素。能量效率可能通过两种关键方式受影响——直接通过开关损耗和其他损耗，间接通过增加车辆的体积和重量。已知基于WBG的逆变器能够通过在更高的开关频率、效率和温度下运行，减少直接和间接损耗。通过采用基于SiC的牵引逆变器，预计可以提高代表性混合动力电动汽车的能量效率。

通过增加动力总成电气化，还可以实现更大的能量节省。此外，基于WBG转换器所实现的高效、轻量和低成本的直流快速充电基础设施，将推动电动汽车的商业可行性和采用率。结合清洁的电力生成组合，这有潜力显著减少美国四分之一的温室气体排放，这些排放源于交通运输部门。

汽车应用对电动机的要求日益趋向于紧凑型和高性能。电机驱动电路传统上基于硅半导体，但在满足这些严格要求方面日益面临困难。实际上，硅技术正达到其理论极限，受到功率密度、击穿电压和开关频率等限制，从而影响功率损耗。这些限制的主要影响主要表现为效率未达到最佳水平。此外，在高温和高开关速率下操作时，还可能出现潜在问题。

在高频操作时，基于硅的功率器件的开关损耗大于导通损耗，这对整体功率损耗产生连锁影响。为了散发产生的过剩热量，需要使用合适的散热器。这带来了成本增加、整体设备重量增加和占地面积过大的缺点。

相对而言，基于氮化镓(GaN)的器件被认为提供了更优越的电气特性，成为高电压和高开关频率电动机控制应用中传统MOSFET和IGBT晶体管的替代方案。随着开关频率的增加，基于GaN的晶体管的开关损耗显著低于基于硅的传统半导体器件。

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