一文看懂氮化鎵和碳化硅在混合動力汽車中的作用

歐盟制定了一個雄心勃勃的目標，即到2050年將其總體溫室氣體排放量降低至少80％。要實現該目標，汽車行業的貢獻將非常重要。美國企業平均燃油經濟性（CAFE）標準雖然很可能要經受特朗普政府的審查，但它在改善車輛的環境保護方面發揮了重要作用。如果這些標準保持不變，汽車制造商將需要在各個方面明顯改善燃油的經濟性，預計到2022年將達到每加倫汽油49英里（49mpg）的平均水平。

如果要實現所有這些目標，使電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）具備更大的市場占有率將變得至關重要。根據彭博新能源財經（Bloomberg New Energy Finance）進行的分析預測，到2040年，電動汽車將占全球汽車年出貨量的35％（相當于4100萬輛）。但是，這些距離我們今天市場看到的情況仍然存在著巨大的差距。除挪威（現在銷售的超過20％的汽車是插電式電動汽車）和荷蘭（電動汽車擁有接近10％的市場占有率）之外，包括德國、美國、中國、法國、英國和日本等全球領先的經濟體，電動汽車的市場占有率都低于1.5％。

要實現從內燃機型的汽車發動機到更環保的HEV/EV型汽車的重大轉變，必須克服的核心挑戰就是非常重要的功率電子技術。購買汽車時消費者需要支付一筆不太情愿的初始投資，這些高昂的費用主要來自電源逆變器和儲能元件的成本。其他主要的挑戰包括充電一次汽車所能行駛的距離以及充電過程的時間長短。同樣，這些問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格比。這也將使它們變得更輕，從而使車輛能夠行駛更遠的距離。同時，氮化鎵（GaN）或碳化硅（SiC）等寬帶隙技術的出現提供了可以避免硅器件中固有功率損失的技術途徑。 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，它們還支持高開關速度，并具有更高的擊穿電壓和更高的導熱性能（尤其是SiC）。提高功率轉換效率可為熱管理帶來很多好處。例如，散熱問題變得不再那么令人擔心，因而使材料清單成本更低，占用空間更少，同時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HEV/EV設計中的高壓系統（高達650V）而進行了優化，由于采用了該公司專有的Island Technology，可以不再需要母線排（bus bars），因而能夠節省空間。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現更高的品質因數（FoM）值。這反過來又有助于減輕飽和電壓和開關損耗之間的折衷，該系列產品采用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），同時只需占用最小的PCB空間和數量非常有限的附加無源組件。

圖1：用于HEV/EV設計的GaN Systems的GS6650x系列氮化鎵晶體管。

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

GeneSiC在其GA100SIC系列產品上結合了先進的絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的低損耗與SiC二極管，通過用基于SiC的肖特基整流器（SiC-based Schottky rectifiers）取代傳統的硅續流二極管（freewheeling diodes），開關性能得到大幅度提升。

這里列舉的是碳化硅和氮化鎵領域產品創新的幾個例子，僅供汽車工程師實施下一代功率逆變器技術時參考。

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關速度，因此注定是未來HEV/EV動力系統所依賴的基礎。這些新興半導體材料所擁有的巨大潛力才剛剛開始得到認可。