一文看懂氮化鎵和碳化硅在混合動(dòng)力汽車(chē)中的作用

歐盟制定了一個(gè)雄心勃勃的目標(biāo)，即到2050年將其總體溫室氣體排放量降低至少80％。要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，汽車(chē)行業(yè)的貢獻(xiàn)將非常重要。美國(guó)企業(yè)平均燃油經(jīng)濟(jì)性（CAFE）標(biāo)準(zhǔn)雖然很可能要經(jīng)受特朗普政府的審查，但它在改善車(chē)輛的環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮了重要作用。如果這些標(biāo)準(zhǔn)保持不變，汽車(chē)制造商將需要在各個(gè)方面明顯改善燃油的經(jīng)濟(jì)性，預(yù)計(jì)到2022年將達(dá)到每加倫汽油49英里（49mpg）的平均水平。

如果要實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)，使電動(dòng)汽車(chē)（EV）和混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）具備更大的市場(chǎng)占有率將變得至關(guān)重要。根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)（Bloomberg New Energy Finance）進(jìn)行的分析預(yù)測(cè)，到2040年，電動(dòng)汽車(chē)將占全球汽車(chē)年出貨量的35％（相當(dāng)于4100萬(wàn)輛）。但是，這些距離我們今天市場(chǎng)看到的情況仍然存在著巨大的差距。除挪威（現(xiàn)在銷(xiāo)售的超過(guò)20％的汽車(chē)是插電式電動(dòng)汽車(chē)）和荷蘭（電動(dòng)汽車(chē)擁有接近10％的市場(chǎng)占有率）之外，包括德國(guó)、美國(guó)、中國(guó)、法國(guó)、英國(guó)和日本等全球領(lǐng)先的經(jīng)濟(jì)體，電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)占有率都低于1.5％。

要實(shí)現(xiàn)從內(nèi)燃機(jī)型的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)到更環(huán)保的HEV/EV型汽車(chē)的重大轉(zhuǎn)變，必須克服的核心挑戰(zhàn)就是非常重要的功率電子技術(shù)。購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)時(shí)消費(fèi)者需要支付一筆不太情愿的初始投資，這些高昂的費(fèi)用主要來(lái)自電源逆變器和儲(chǔ)能元件的成本。其他主要的挑戰(zhàn)包括充電一次汽車(chē)所能行駛的距離以及充電過(guò)程的時(shí)間長(zhǎng)短。同樣，這些問(wèn)題也源于所使用的功率電子。

提高電源的效率水平將有助于使逆變器體積更小，因此也具有更高的性能價(jià)格比。這也將使它們變得更輕，從而使車(chē)輛能夠行駛更遠(yuǎn)的距離。同時(shí)，氮化鎵（GaN）或碳化硅（SiC）等寬帶隙技術(shù)的出現(xiàn)提供了可以避免硅器件中固有功率損失的技術(shù)途徑。 GaN和SiC都比硅器件具有更高的電子遷移率和更低的RDS [ON]參數(shù)，它們還支持高開(kāi)關(guān)速度，并具有更高的擊穿電壓和更高的導(dǎo)熱性能（尤其是SiC）。提高功率轉(zhuǎn)換效率可為熱管理帶來(lái)很多好處。例如，散熱問(wèn)題變得不再那么令人擔(dān)心，因而使材料清單成本更低，占用空間更少，同時(shí)仍然保持高的可靠性。

GaN Systems公司的GS6650x系列氮化鎵晶體管針對(duì)HEV/EV設(shè)計(jì)中的高壓系統(tǒng)（高達(dá)650V）而進(jìn)行了優(yōu)化，由于采用了該公司專(zhuān)有的Island Technology，可以不再需要母線排（bus bars），因而能夠節(jié)省空間。這些晶體管還可以垂直地從芯片上得到電流，能夠降低電感損耗并實(shí)現(xiàn)更高的品質(zhì)因數(shù)（FoM）值。這反過(guò)來(lái)又有助于減輕飽和電壓和開(kāi)關(guān)損耗之間的折衷，該系列產(chǎn)品采用GANPX?封裝，盡管外形緊湊，也能夠確保電感和熱阻都得到有效抑制。

同樣， Panasonic’s X-GaN系列增強(qiáng)模式氮化鎵功率晶體管器件都具有更高的擊穿電壓（600V以上），同時(shí)只需占用最小的PCB空間和數(shù)量非常有限的附加無(wú)源組件。

圖1：用于HEV/EV設(shè)計(jì)的GaN Systems的GS6650x系列氮化鎵晶體管。

圖2：傳統(tǒng)的MOS硅晶體管與Panasonic’s X-GaN?器件的外形比較。

GeneSiC在其GA100SIC系列產(chǎn)品上結(jié)合了先進(jìn)的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的低損耗與SiC二極管，通過(guò)用基于SiC的肖特基整流器（SiC-based Schottky rectifiers）取代傳統(tǒng)的硅續(xù)流二極管（freewheeling diodes），開(kāi)關(guān)性能得到大幅度提升。

這里列舉的是碳化硅和氮化鎵領(lǐng)域產(chǎn)品創(chuàng)新的幾個(gè)例子，僅供汽車(chē)工程師實(shí)施下一代功率逆變器技術(shù)時(shí)參考。

由于采用寬帶隙化合物的功率分立器件能夠支持更高電壓和更快的開(kāi)關(guān)速度，因此注定是未來(lái)HEV/EV動(dòng)力系統(tǒng)所依賴(lài)的基礎(chǔ)。這些新興半導(dǎo)體材料所擁有的巨大潛力才剛剛開(kāi)始得到認(rèn)可。