宽禁带半导体彻底改变汽车设计(下)
使用碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)来满足电动汽车设计要求现已成为下一代汽车设计的标准，以促进可持续发展。空气动力学线条或更轻的材料不足以保证电动汽车的效率。为了满足效率和功率密度的要求，电力电子设计人员必须将目光投向新技术。
先进的宽禁带(WBG)半导体材料，尤其是GaN和SiC，代表了对MOSFET和IGBT现有半导体技术的改进。从根本上说，禁带宽度对应于将电子从材料的价带激发到导带所需的能量。从这个意义上讲，WBG材料的禁带宽度比硅高得多。与硅相比，WBG半导体可使器件在高得多的电压、频率和温度下工作，并且开关损耗和传导损耗也大大较低。WBG材料的传导和开关特性也比传统硅材料好大约10倍。这些特性使WBG技术自然而然地应用于电力电子技术，尤其是电动汽车应用，因为SiC和GaN器件可以同时具有更小的尺寸、更高的速度和更高的效率。
然而，在评估WBG器件的优势时，还必须考虑到大规模生产的复杂性和更高的成本。虽然WBG器件最初可能比较昂贵，但其成本会不断下降，并最终在未来节省整个系统的成本。例如，在电动汽车中使用SiC器件可能会使初始成本增加数百欧元，但由于电池成本更低、所需空间更小、冷却解决方案在结构上更简单——例如使用更小的散热器，因此总体上可以节省成本。
汽车设计中SiC和GaN器件的技术考虑
WBG功率技术是电动汽车和混合动力汽车取得成功不可或缺的因素，它克服了电动汽车固有的一些限制，有助于加速电动汽车在全球的普及。为了满足电动汽车系统(如逆变器和集成充电器)不断提高的效率和功率密度要求，汽车电力电子设计人员可以利用最先进的WBG半导体，例如SiC和GaN(图1)。如上所述，与传统硅器件相比，这些产品具有更低的损耗、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更高的击穿电压等特性。SiC是专为牵引逆变器、车载充电器(OBC)和DC/DC电源转换器等多种电动汽车应用而设计的关键技术(图2)。
GaN和SiC可以在更高的温度下工作，但预期寿命相似；也可以在与硅器件相似的温度下工作，但寿命更长。如今，电力电子系统设计人员可以根据特定应用的要求，选择多种设计方案。总体而言，使用WBG材料可以根据最终项目的目标，选择不同的设计策略和途径。例如，我们可以决定使用相同的开关频率并增加输出功率，也可以使用相同的开关频率并减少系统所需的散热量，从而节省元器件的总体成本。否则，设计人员可以选择提高开关频率，同时保持开关的功率损耗不变。正如您所看到的，有许多可定制的选项。
图1：WBG技术与工作频率和系统功率的关系。(来源：意法半导体)
图2：SiC在电动汽车系统中的应用。(来源：意法半导体)
逆变器
逆变器用于控制电动汽车中的电动牵引电机。它是电动推进系统中的关键部件，可以从WBG器件中受益。逆变器的主要功能是将直流电压转换为三相交流波形，以驱动汽车的电机，然后将再生制动产生的交流电压转换为直流电压，为电池充电。为了驱动电机，逆变器将电池组中存储的能量转换为交流电，因此转换阶段的损耗越小，系统的效率就越高。与硅器件相比，SiC器件具有更高的导电性和开关频率。因此，SiC器件可以降低功率损耗，因为以热量形式耗散的能量更少。因此，基于SiC的逆变器效率越高，电动汽车的续航里程就越大。
如今，许多电动汽车制造商都在主逆变器中集成了SiC功率模块。与使用硅制造的同类产品相比，采用SiC制造电动汽车逆变器可以使其体积缩小约5倍，重量减轻约3倍，并将功率损耗降低一半。例如，与使用硅器件制造的类似设计相比，我们可以将一个OBC和一个DC/DC转换器组合在一个更小、更轻、更高效的封装中。
OBC
电动汽车充电系统(又称OBC)需要将电能从交流电(通常来自配电网络)转换为直流电。通过WBG器件，可以实现用于电动汽车充电的新电路。WBG器件的禁带宽度比硅大2到3倍，可以承受更高的电压和电场，因为电子从价带移动到导带需要更多的能量。WBG半导体的击穿电压要高得多，而导通电阻却非常小。这就简化了设计，提高了充电电路的效率。低阻值的RDS(ON)还能减少开关损耗和功率损耗，从而缩小电路尺寸。
WBG器件的另一个优点是，在相同的工作条件下，其产生的温度低于硅基器件。在电源电路中，SiC器件可承受的结温甚至可超过200℃，而硅器件的结温最高可达150℃左右。因此，在电动汽车充电器中使用WBG器件可实现更高的开关速度和更好的能效，进而生产出更紧凑、更易于冷却的模块。
OBC在工厂安装。在纯电动汽车或插电式混合动力汽车中，OBC可通过家用交流电网或私人/公共充电站插座为电池充电。OBC使用AC/DC转换器将50/60Hz交流电压(100至240V)转换为直流电压，为高压汽车电池充电(通常约为400V直流电压)。它还可根据电池要求调整直流电流水平，提供电气隔离并包括AC/DC功率因数校正(PFC)。
典型的电动汽车OBC通常采用SiC二极管。OBC需要尽可能高的效率和可靠性，以确保快速充电时间，但同时还必须满足设计规范对应用空间和重量的要求。采用GaN技术的OBC设计可以简化冷却系统并缩短充电时间和能量损失。双向OBC是在未来可持续智能电网基础设施中采用电动汽车的关键发展方向。双向OBC允许电动汽车充当储能器或其他用途的能源，以帮助管理供需变化，并帮助稳定电网内的负载。基于GaN和SiC的器件可实现先进的双向拓扑结构，并可优化电源转换器配置。
尽管GaN功率器件在商业层面上似乎略逊于SiC，但由于其出色的效率表现，其市场份额正在迅速扩大。与SiC器件类似，GaN器件具有更低的开关损耗、更高的开关速度和更高的功率密度，并能减小整体系统尺寸，而这与重量和总成本都有关系。典型的硅MOSFET开关速度较低，而GaN器件的开关速度较高，可实现尽可能低的损耗。基于这种操作水平，系统布局也会对性能做出重要影响。多家制造商已开发出汽车级SiC器件，用于电动汽车和混合动力汽车中的OBC应用，以降低能量损耗，并在负载条件下实现更好的电气性能。
DC/DC电源转换器
DC/DC转换器为整个车辆的各种负载供电。在设计汽车应用的DC/DC转换器时，与普通硅MOSFET相比，GaN器件可节省电力并显著减小电路尺寸和重量，同时还能实现更好的热管理性能和可靠性。在高压和大功率应用领域，这些器件为汽车世界带来了优势，使模块更小、更轻，从而有助于节省空间和提高能效。此外，结合了650/700V功率晶体管和优化栅极控制的GaN IC可提供满足能效需求的解决方案。高速下较低的能量损耗增强了在300～800kHz工作频率的转换电路中增加开关频率的潜力，从而允许使用更小的无源元件，在紧凑的模块尺寸内最大限度地提高功率密度。
图3：FF08MR12W1MA1_B11A EasyPACK CoolSiC汽车MOSFET 1,200V半桥模块。(来源：英飞凌)
图3显示了采用英飞凌全新1,200V汽车CoolSiC MOSFET的8mΩ半桥模块。凭借全面的汽车级认证，CoolSiC的应用范围现已扩展至具有高效率和高开关频率要求的高压应用，例如HV/HV DC/DC升压转换器、多相逆变器和燃料电池压缩机等快速开关辅助驱动器。
WBG SiC和GaN技术在帮助电动汽车和充电基础设施延长行驶里程和缩短充电时间方面发挥了主导作用。要说服更多购车者选择能满足其典型使用需求的电动汽车，就需要这两方面的改进。一方面，不断增长的市场带来了更大的消费压力，要求采用先进的电动汽车技术，包括OBC和DC/DC转换器，以提高效率、功率密度和可靠性，降低功率损耗，从而实现更好的电气性能。另一方面，它也关注客户的需求。从这个意义上讲，领先的电力电子器件制造商会定期发布几代器件，下一代器件的性能将比上一代有所提高。
未来的电动汽车将通过采用GaN和SiC半导体的战略组合来释放其全部潜能，并满足日益增长的市场期望，这些半导体在汽车的不同角色中各有优势。虽然SiC仍可能是高压下的首选技术，但电动汽车可以利用GaN器件在较低电压下的优势，提高功率密度和效率。
阅读本文第一部分：宽禁带半导体彻底改变汽车设计(上)
（原文刊登于EE Times姊妹网站Power Electronics News，参考链接：WBG Semiconductors Revolutionize Automotive Design (Part 2)，由Franklin Zhao编译。）