宽禁带半导体彻底改变汽车设计(上)

世界各地的政府都已为自己设定了实现气候变化承诺的目标。为实现这一目标，他们正在通过立法和财政激励措施推动向电动汽车的能源转型。技术研究在这方面发挥着关键作用。事实上，到2030年，电动汽车和混合动力汽车电池的全球市场总额预计将增长至近16亿美元。同时，该领域的快速发展必须得到汽车设计优化的支持，汽车设计必须做好准备，迎接这一划时代的变革。

碳化硅(SiC)在汽车应用中的力量

SiC是目前最成熟的宽禁带(WBG)功率半导体技术。近年来，SiC已被证明是电动汽车和插电式混合动力汽车的强大盟友，凭借其卓越的热性能和电气性能，SiC已成为电动汽车和插电式混合动力汽车的使能技术。最明显的应用之一是用于DC/DC电源转换器和牵引逆变器的功率模块，在这种情况下，SiC的热阻可转化为更高效的热管理。这一切的直接结果就是提高了电动汽车的续航能力并延长了电池寿命。

此外，使用SiC逆变器有助于减少开关损耗，从而提高牵引系统的整体效率。这对电动汽车尤其重要，因为效率每提高一个百分点，都会直接转化为续航里程的增加和能耗的降低。

SiC的特性(例如宽禁带)还使其能够在更高的温度下工作，这对于热管理一直是个挑战的汽车环境来说至关重要。这些特性有助于提高系统的稳定性和可靠性，确保即使在极端的驾驶条件下也能保持稳定的性能。

SiC还具有优异的热性能，可以传导大量热能。SiC引领宽禁带技术进入电动汽车领域，在牵引逆变器中取代了以前的硅MOSFET或IGBT。SiC MOSFET以其卓越的导电性和开关性能​​而著称。利用SiC的有利特性，SiC MOSFET的裸片面积几乎只有IGBT的一半，可兼具功率开关的以下理想特性：

• 高电压
• 低阻值R_DS(ON)
• 高开关速度
• 低开关损耗

SiC MOSFET使汽车系统设计人员能够提高效率；减小散热器尺寸和成本；提高开关频率以减小磁性元件尺寸；降低设计成本、尺寸和重量。特别是在电动汽车中使用SiC，可确保更高的续航能力、更小的电池尺寸和更快的充电速度。

与硅IGBT相比，SiC具有更高的工作温度和开关速度，同时在相同的器件尺寸下还具有更高的击穿电压，从而实现了更高的鲁棒性和功率密度。这些特性尤其适用于汽车行业动力系统的逆变器模块，这些模块必须高效地在电池和电机之间传输大量能量。开关速度是汽车系统设计的关键参数之一，能够影响其效率和性能。在使用800V电池系统和大容量电池的情况下，SiC可提高逆变器的效率，从而延长运行时间并降低电池成本。

SiC还提高了车载充电器(OBC)的效率和功率密度。这种材料可实现从电源到电池的双向能量流，反之亦然。它还对电池管理有积极影响：可以在电池尺寸相同的情况下实现更长的车辆续航里程，或者在相同续航里程下使用更小更轻的电池。此外，由于采用了SiC，相应基础设施的充电速度也会更快。由于电池容量大、冷却强度低和布线优化，高效车辆的重量更轻。SiC系统解决方案有助于提高车辆的整体效率，特别是在变速箱、牵引逆变器和OBC方面。最后，一个显著的优势是，SiC器件可以采用为硅设计和使用的技术进行安装。

氮化镓(GaN)在下一代汽车设计中的重要性

GaN是另一种在汽车行业中迅速崛起的材料，尤其是在高频电源系统中。基于GaN的MOSFET非常适合DC/DC转换器、电池充电器和电池管理系统等应用。由于开关速度高，GaN可以设计出更紧凑、更轻便的转换器，从而减轻汽车的整体重量，提高整个系统的能源效率。这在电动汽车中尤为重要，因为重量是决定性的设计因素。

与传统材料相比，GaN的导通电阻更低，有助于减少动力系统中的功率损耗，进一步提高车辆的整体效率，这是确保电池中存储的能量得到最佳利用的关键，从而有助于最大限度地提高电动汽车的续航能力。虽然SiC器件在高压应用中最受欢迎，但GaN在应用于电池电压较低(最高约400V)的平台时也具有宝贵的优势。

SiC和GaN在汽车领域的综合应用

众所周知，汽车市场是一个充满活力的领域，在重量和空间方面面临着挑战。不仅必须仔细计算成本，而且电压变化很大——内燃机汽车的电压从5V左右到100V以上，电动汽车或混合动力汽车的电压甚至更高。随着电动汽车和混合动力汽车市场的发展和普及，高效的电源转换变得更加重要。因此，设计人员面临着持续的压力，需要以经济高效的方式将性能不断提高的系统集成到更小、更轻、更高效的体积中。基于GaN和SiC的功率模块可帮助实现电动汽车和混合动力汽车系统的许多设计目标。从发动机到动力传动系统再到车辆控制，从驾驶员控制台到信息娱乐系统，汽车的各个应用都能从提高效率和功率密度中受益。

在汽车系统中结合使用SiC和GaN开辟了令人兴奋的前景(见图)。这两种材料的特性相辅相成，可以设计出高效、可靠和紧凑的电力牵引系统。例如，将SiC 和GaN集成到功率模块中，不仅能最大限度地发挥两种材料的优势，还能获得更高的开关频率，提高能效，降低功率损耗并优化元器件的热管理。这种协同作用的优势在电动汽车中尤为重要，因为高效率对于克服与续航能力相关的挑战越来越重要。

图：利用WBG半导体重新思考汽车系统。(来源：德州仪器)

未来趋势

随着WBG功率半导体器件市场的发展，GaN和SiC推动了高功率密度和重量效率的未来。虽然WBG半导体的商业化应用仍然面临一些小障碍(例如在封装和电源转换器设计方面)，但随着技术的日益成熟和完善，更多的解决方案正在涌现，GaN和SiC将变得比硅更有竞争力，从而在评估设计权衡时提高其战略重要性。

随着时间的推移，SiC和GaN在汽车行业的作用注定会越来越大，推动创新，使电力牵引系统越来越高效，并接近环境可持续性标准。这些先进材料的结合使用不仅有助于减少排放和提高能效，还将重新定义未来汽车的性能标准。现在的挑战是如何将这些技术有效地集成到大规模量产汽车中，为开创先进、可持续和智能移动的新时代铺平道路。

最终，SiC和GaN意味着可以通过缩短开发时间来成功应对设计挑战。WBG技术可确保更低的损耗、更高的开关频率、更高的工作温度、在恶劣环境下的鲁棒性和高击穿电压。随着汽车行业向更大容量、更高电压、更短充电时间和更低总体损耗的电池方向发展，这些材料的优势有望彻底改变汽车设计。

参考文献

¹Van Do et al. (2021). “Wide-Bandgap Power Semiconductors for Electric Vehicle Systems: Challenges and Trends.” IEEE Vehicular Technology Magazine, 16(4), pp. 89–98.

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（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：WBG Semiconductors Revolutionize Automotive Design (Part 1)，由Franklin Zhao编译。）