當(dāng)今推動降低二氧化碳排放、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的 關(guān)鍵基礎(chǔ)之一 是電動汽車 (EV) 的出現(xiàn)。驅(qū)動電動汽車的動力當(dāng)然是電力，如果電動汽車要不負(fù)其生態(tài)超級英雄的美譽，它就需要盡可能少地消耗電網(wǎng)電力。要做到這一點，它需要盡可能高效地利用能源。它的寬帶隙半導(dǎo)體 (WBG)，如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，使這成為可能。
但在我們深入了解 WBG的作用及其運作方式之前，讓我們先簡單了解一下兩個汽車生態(tài)系統(tǒng)。
如果您認(rèn)為電動汽車具有不公平的優(yōu)勢 - 您是對的！首先，電動機(jī)的效率明顯高于汽油發(fā)動機(jī)。還有更深刻的東西。只要看看20 世紀(jì) 60 年代最強(qiáng)大的汽車引擎蓋下 ，你就能真正看到車 底的路面 ！如果你在現(xiàn)代燃?xì)馄嚿献鐾瑯拥挠^察，你看不到地面，而是看到一排可怕的泵、管子、通風(fēng)口等等——這是化學(xué)工程師的天堂，只專注于污染控制。
電動機(jī)不會像汽油發(fā)動機(jī)那樣產(chǎn)生污染，因此不需要污染控制系統(tǒng)。所有碳?xì)浠衔镂廴究刂贫荚谠搭^——發(fā)電廠進(jìn)行。與數(shù)百萬輛汽油驅(qū)動汽車不同，每輛汽車都支持一個復(fù)雜、耗能的自動污染控制系統(tǒng)，而只需要一個這樣的系統(tǒng)，在發(fā)電廠本身，由 人工專家和先進(jìn)的自動化設(shè)備不斷監(jiān)控。最終結(jié)果 是，一個極其有效的系統(tǒng)取代了數(shù)百萬個效率較低的基于車輛的安排。
電動汽車的“油箱”——也就是它的電源儲存器——是鋰離子電池 (LiB)，它儲存了大約 150 千瓦時的 800 伏直流電。問題是汽車中只有極少數(shù)的電能以 800 伏直流電運行。
主電機(jī) 在 400 至 800 VAC 范圍內(nèi)的交流電壓下運行。還有許多 其他設(shè)備 需要 令人眼花繚亂的電壓范圍。這一轉(zhuǎn)換過程是電動汽車運行的核心。WBG 的效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅 (Si) 半導(dǎo)體。
想象一下通過開關(guān)訪問 LiB 的電壓。當(dāng)開關(guān)打開和關(guān)閉時，會產(chǎn)生脈動直流電。通過電氣工程師熟知的路徑，脈動直流電可以轉(zhuǎn)換為各種交流或直流電壓。關(guān)鍵在于開關(guān)的效率，以及設(shè)備處理熱量的能力。
讓我們來看看 GaN 和 SiC 與傳統(tǒng)硅 (Si) 半導(dǎo)體相比的優(yōu)勢。
1、切換速度更快。
將直流電轉(zhuǎn)換為另一種電壓水平的直流電時，WGB 每秒會開啟和關(guān)閉數(shù)千次，從而產(chǎn)生脈動直流電，切換速度越快，脈沖之間的距離就越近。將 這些“脈沖”轉(zhuǎn)換為干凈、穩(wěn)定的直流電的過程需要一個主要由電感器和電容器組成的“濾波器”。脈沖頻率越高，濾波器元件就可以越小。這可以節(jié)省大量的重量和空間，將直流電轉(zhuǎn)換為替代傳統(tǒng)車輛汽油發(fā)動機(jī)的主“拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)”所需的交流電時也可以獲得類似的好處。
WGB 半導(dǎo)體的切換速度比硅器件快得多。
2、降低“導(dǎo)通”電阻。
功率半導(dǎo)體通常被稱為開關(guān)，而理想的半導(dǎo)體（如 理想的 機(jī)電開關(guān)）必須呈現(xiàn)盡可能接近零的電阻。如果有任何電阻， 電壓交叉電阻會產(chǎn)生熱量并浪費電力。半導(dǎo)體兩端的電阻，即器件“源極”和“漏極”之間的電阻， 稱為RSD(ON)。
在這里，WGB 也完勝 Si 器件。
3、熱量。
雖然 WGB 半導(dǎo)體比 Si 器件運行效率更高，但不可避免地存在一些效率低下的問題，從而產(chǎn)生熱量。但 WBG 實際上可以承受更多的內(nèi)部熱量，并且仍能安全高效地運行。此外，WGB 的熱導(dǎo)率 更高，更 容易將寄生熱量從半導(dǎo)體中散發(fā)出去。
GaN和SiC的主要特性差異是什么？
有兩個區(qū)別非常 突出， 對電動汽車設(shè)計師來說 至關(guān)重要�；旧蟻碚f，SiC 可以處理更多功率，但 GaN 可以切換得更快。沙子在不斷移動，但這張經(jīng)典圖表說明了一切。
然而，WGB 在一個方面是 失敗的，那就是成本，特別是對于 SiC 而言。
電動汽車的核心功能之一是傳動系統(tǒng)逆變器，這是一種基于半導(dǎo)體的設(shè)備，可將鋰離子電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為為電動汽車主電機(jī)供電所需的不斷變化的交流波形。對于功率更大的電動汽車， 功率更大的 SiC 半導(dǎo)體是明顯的技術(shù)選擇。但正如我們將看到的，SiC 器件的高成本 是 一個主要障礙。
特斯拉的 SiC 問題
據(jù) PSG Consultancy 報道， 特斯拉是第一家將 SiC 技術(shù)應(yīng)用于傳動系統(tǒng)逆變器的電動汽車制造商。該技術(shù)針對的是特斯拉無處不在的 Model 3，是“SiC 行業(yè)大規(guī)模擴(kuò)張的催化劑”。我們還可以補充一點，它的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了交通運輸行業(yè)。
隨后，在 2023 年，特斯拉宣布計劃將 SiC 使用量減少 75%，這引發(fā)了轟動。人們認(rèn)為他們可能會采用 成本更低的 GaN 器件，甚至可能恢復(fù)到上一代硅 IGBT。
通過觀察特斯拉逆變器的假定內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們可以獲得一些見解 。
Model 3逆變器的每個支路均采用 8 個并聯(lián)部署的 STMicroelectronics 650V SiC MOSFET �？偣灿� 48 個半導(dǎo)體。雖然價格昂貴，但與之前的傳動系統(tǒng)逆變器相比，其效率有所提高 ，使 Model 3 能夠行駛得更遠(yuǎn)，而無需增加 LiB 容量、尺寸或重量。
但該聲明的真實內(nèi)容可能并不像人們所看到的那樣。
在逆變器底盤內(nèi)更好地定位 將允許 SiC 散發(fā)更多的熱量 ，從而每個半導(dǎo)體都可以 被推動得更遠(yuǎn)，從而無需在每條腿上安裝八個半導(dǎo)體。
大量資金投入到 SiC 開發(fā)中。性能更強(qiáng)大的半導(dǎo)體意味著所需半導(dǎo)體數(shù)量更少。
最終過渡到 800V 系統(tǒng)。電壓越高，電流和熱量越少 新車型可能會采用功率較低的電機(jī)，所需的 SiC 半導(dǎo)體相應(yīng)較少。
然而，更便宜的 GaN 技術(shù)的快速發(fā)展可能在某些設(shè)計案例中使該技術(shù)取代 SiC。
適用于 400V 和 800V 電動汽車系統(tǒng)的氮化鎵功率半導(dǎo)體
“盡管硅基 GaN 利用了現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，并且通常限制在 650V，但 Qromis 襯底上 GaN 技術(shù) (QST) 的出現(xiàn)允許使用更厚的外延層。這項創(chuàng)新使工作電壓更高，可能高達(dá) 1,200V 或更高。” 這使得 GaN 半導(dǎo)體幾乎可以用于為所有現(xiàn)有的電動汽車和即將 面世 的所有電動汽車供電。而且，最重要的是，SiC 器件的制造難度要大得多，這當(dāng)然反映在其更高的成本上。
最重要的是，GaN 的開關(guān)速度甚至比 SiC還要快 ，更不用說 傳統(tǒng)硅了 。這意味著更高的效率，以及 更低的重量和空間要求。
出于這些原因以及其他原因，GaN 將與 SiC 展開競爭，尤其是對于價格較低、大眾市場的電動汽車而言
挑戰(zhàn)與機(jī)遇
大規(guī)模推廣電動汽車的最大障礙是缺乏充電基礎(chǔ)設(shè)施。汽油零售商看到了這一趨勢，于是采取了合乎邏輯的舉措，為駕車者 提供充電服務(wù)，以賺取利潤（當(dāng)然！） 。
從大多數(shù)指標(biāo)來看，充電站到電動汽車車輪之間的路徑效率現(xiàn)在也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 90%。最后一個重大前沿是鋰離子電池本身。美國、歐洲和東亞的科學(xué)家和工程師正在研究這些問題，其中最關(guān)鍵的是 設(shè)備 充電需要多長時間。
雖然電動汽車可能是推動 WGB 發(fā)展的最初催化劑，但其他技術(shù)領(lǐng)域不僅從中獲益，而且還促進(jìn)了發(fā)展。
寬帶隙半導(dǎo)體開關(guān)速度更快，導(dǎo)通電阻更低，并且比上一代硅器件更能處理熱量。它們可在整個 電氣和電子設(shè)備 范圍內(nèi)找到 - 從微型醫(yī)療可穿戴設(shè)備到最大的電動汽車。
SiC 和 GaN 半導(dǎo)體之間的兩 主要區(qū)別是，SiC 可以處理更多功率，而 GaN 切換速度更快且更 便宜。而且至關(guān)重要的是，GaN 更易于制造， 因此對 OEM 來說成本更低。
GaN器件先前在處理功率和工作電壓方面的限制正在逐漸克服，使其能夠挑戰(zhàn)SiC在 高功率電動 汽車應(yīng)用領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。
