寬帶隙半導(dǎo)體 (WBG)，例如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，與硅相比具有更出色的性能：更高的效率和開(kāi)關(guān)頻率、更高的工作溫度和工作電壓。EV 和 HEV 包括幾個(gè)功率轉(zhuǎn)換階段，累積功率損耗可以達(dá)到初始可用功率的 20%。WGB 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)體可以獲得重要的改進(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成本。

GaN 和 SiC 的優(yōu)勢(shì)

WBG材料具有較大的能帶隙，即價(jià)帶上限與導(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)。帶隙允許半導(dǎo)體根據(jù)可從外部控制的電氣參數(shù)在導(dǎo)通 (ON) 和阻斷 (OFF) 狀態(tài)之間切換。碳化硅和氮化鎵等 WBG 材料的帶隙分別等于 3.3 eV 和 3.4 eV，明顯高于硅 (1.12 eV) 和砷化鎵 (1.4 eV) 的帶隙值。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)，因此也意味著更高的擊穿電壓。GaN 和 SiC 等 WBG 半導(dǎo)體克服了硅的理論限制，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)點(diǎn)可總結(jié)如下：

較低的導(dǎo)通電阻;

更高的擊穿電壓;

更高的導(dǎo)熱性;

在較高溫度下運(yùn)行;

更高的可靠性;

接近零反向恢復(fù)時(shí)間;

出色的高頻性能。

碳化硅汽車應(yīng)用

圖 1 顯示了可在任何電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車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來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。主逆變器是汽車中的關(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)再生斷路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)換而來(lái)。今天，市場(chǎng)上有多種不同電壓等級(jí)和不同功率等級(jí)(通常在 1kW 到 5kW 范圍內(nèi))的高壓電池。可能需要其他可選組件，取決于再生電路是否支持單向或雙向能量傳輸。輔助逆變器/轉(zhuǎn)換器從高壓電池向多個(gè)輔助系統(tǒng)供電，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)在充電和放電過(guò)程中控制電池狀態(tài)。此操作應(yīng)以智能方式執(zhí)行，以便延長(zhǎng)電池壽命。隨著電池壽命的增加，應(yīng)優(yōu)化電池使用，平衡充電和放電期間的性能。車載電池充電器起著重要作用，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)師的額外要求，因?yàn)橥浑娐窇?yīng)支持不同的電壓和電流水平。還應(yīng)提供對(duì)未來(lái)功能的規(guī)定，例如雙向電力傳輸(其中充電器還從汽車向智能電網(wǎng)供電)。

圖 1：HEV/EV 包括多個(gè)高功率設(shè)備

氮化鎵馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器

汽車應(yīng)用需要尺寸越來(lái)越緊湊和性能越來(lái)越高的電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)上基于 MOSFET 和 IGBT 硅晶體管的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路在滿足此類要求方面表現(xiàn)出越來(lái)越大的困難。硅技術(shù)實(shí)際上已達(dá)到其理論極限，其限制首先涉及：功率密度、擊穿電壓和開(kāi)關(guān)頻率，而這反過(guò)來(lái)又會(huì)影響功率損耗。

這些限制的主要影響主要表現(xiàn)為效率的次優(yōu)水平，此外還有在高溫和高開(kāi)關(guān)速率下運(yùn)行時(shí)的潛在問(wèn)題。例如，考慮在等于或大于 40 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率下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)總功率損耗產(chǎn)生連鎖效應(yīng)。為了散發(fā)過(guò)量產(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)備總重量外，還會(huì)由于占用空間過(guò)大而造成不利影響。基于氮化鎵 (GaN) 的 HEMT(高電子遷移率晶體管)器件提供卓越的電氣特性，在高壓和高開(kāi)關(guān)頻率電機(jī)控制應(yīng)用中，它們可以作為 MOSFET 和 IGBT 晶體管的有效替代品。圖 2 分別顯示了與使用硅和氮化鎵技術(shù)構(gòu)建的功率器件相關(guān)的總體損耗趨勢(shì)。雖然可以認(rèn)為傳導(dǎo)損耗是恒定的，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)頻率的增加，GaN HEMT 晶體管的開(kāi)關(guān)損耗明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT 的開(kāi)關(guān)損耗，并且這種差異在開(kāi)關(guān)頻率越高時(shí)更加明顯。雖然可以認(rèn)為傳導(dǎo)損耗是恒定的，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)頻率的增加，GaN HEMT 晶體管的開(kāi)關(guān)損耗明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT 的開(kāi)關(guān)損耗，并且這種差異在開(kāi)關(guān)頻率越高時(shí)更加明顯。雖然可以認(rèn)為傳導(dǎo)損耗是恒定的，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)頻率的增加，GaN HEMT 晶體管的開(kāi)關(guān)損耗明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT 的開(kāi)關(guān)損耗，并且這種差異在開(kāi)關(guān)頻率越高時(shí)更加明顯。

圖 2：GaN 和硅晶體管的整體器件損耗

審核編輯：湯梓紅