寬帶隙半導體 (WBG)，例如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)，與硅相比具有更出色的性能：更高的效率和開關頻率、更高的工作溫度和工作電壓。EV 和 HEV 包括幾個功率轉換階段，累積功率損耗可以達到初始可用功率的 20%。WGB 半導體極大地提高了功率轉換級的效率，在電壓轉換器、功率 MOSFET 和高效肖特基二極管的制造中充當硅的有效替代品。與硅 (Si) 和砷化鎵 (GaAs) 相比，WBG 半導體可以獲得重要的改進，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 的優勢

WBG材料具有較大的能帶隙，即價帶上限與導帶下限之間存在的能隙。電子可以通過帶隙并通過熱或光激發進入傳導區。帶隙允許半導體根據可從外部控制的電氣參數在導通 (ON) 和阻斷 (OFF) 狀態之間切換。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，但也意味著在更高的溫度、電壓和頻率下工作的機會。寬帶隙也意味著更高的擊穿電場，因此也意味著更高的擊穿電壓。GaN 和 SiC 等 WBG 半導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行。與硅相比，這些材料提供的主要優點可總結如下：

較低的導通電阻;

更高的擊穿電壓;

更高的導熱性;

在較高溫度下運行;

更高的可靠性;

接近零反向恢復時間;

出色的高頻性能。

碳化硅汽車應用

圖 1 顯示了可在任何電動或混合動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實現這些功能。主逆變器是汽車中的關鍵部件。它控制電動機(無論其類型如何：同步、異步或無刷直流)并捕獲通過再生斷路釋放的能量并將其返回給電池。在 EV 和 HEV 中，DC-DC 轉換器的任務是提供 12V 電源系統總線，將其從高壓電池轉換而來。今天，市場上有多種不同電壓等級和不同功率等級(通常在 1kW 到 5kW 范圍內)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/轉換器從高壓電池向多個輔助系統供電，例如空調、電子助力轉向、PTC 加熱器、油泵和冷卻泵。電池管理系統在充電和放電過程中控制電池狀態。此操作應以智能方式執行，以便延長電池壽命。隨著電池壽命的增加，應優化電池使用，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，因為它允許從標準電源插座為電池充電。這是對設計師的額外要求，因為同一電路應支持不同的電壓和電流水平。還應提供對未來功能的規定，例如雙向電力傳輸(其中充電器還從汽車向智能電網供電)。

圖 1：HEV/EV 包括多個高功率設備

氮化鎵馬達驅動器

汽車應用需要尺寸越來越緊湊和性能越來越高的電動機。傳統上基于 MOSFET 和 IGBT 硅晶體管的電機驅動器電路在滿足此類要求方面表現出越來越大的困難。硅技術實際上已達到其理論極限，其限制首先涉及：功率密度、擊穿電壓和開關頻率，而這反過來又會影響功率損耗。

這些限制的主要影響主要表現為效率的次優水平，此外還有在高溫和高開關速率下運行時的潛在問題。例如，考慮在等于或大于 40 kHz 的開關頻率下工作的硅基功率器件。在這些條件下，開關損耗大于傳導損耗，對總功率損耗產生連鎖效應。為了散發過量產生的熱量，必須使用合適的散熱器，這種解決方案除了會增加成本和設備總重量外，還會由于占用空間過大而造成不利影響。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，在高壓和高開關頻率電機控制應用中，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構建的功率器件相關的總體損耗趨勢。雖然可以認為傳導損耗是恒定的，但對于這兩種材料，開關損耗的行為不同。隨著開關頻率的增加，GaN HEMT 晶體管的開關損耗明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT 的開關損耗，并且這種差異在開關頻率越高時更加明顯。雖然可以認為傳導損耗是恒定的，但對于這兩種材料，開關損耗的行為不同。隨著開關頻率的增加，GaN HEMT 晶體管的開關損耗明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT 的開關損耗，并且這種差異在開關頻率越高時更加明顯。雖然可以認為傳導損耗是恒定的，但對于這兩種材料，開關損耗的行為不同。隨著開關頻率的增加，GaN HEMT 晶體管的開關損耗明顯低于硅 MOSFET 或 IGBT 的開關損耗，并且這種差異在開關頻率越高時更加明顯。

圖 2：GaN 和硅晶體管的整體器件損耗

審核編輯：湯梓紅