拯救我們的地球，讓地球遠(yuǎn)離污染！這是世界各地的科學(xué)家和有識(shí)之士對(duì)降低溫室氣體排放的一致呼聲。由化石燃料內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車是罪魁禍?zhǔn)?。雖然推動(dòng)汽車行進(jìn)的替代技術(shù)有很多種，但目前唯一可行的方案是：電動(dòng)汽車。

 

電動(dòng)推進(jìn)技術(shù)需要在汽車中集成一種全新架構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，這種新增加的組件要求對(duì)相應(yīng)的系統(tǒng)部件進(jìn)行多學(xué)科的深入研究。電動(dòng)汽車系統(tǒng)由電動(dòng)馬達(dá)、電力轉(zhuǎn)換器和儲(chǔ)能器件如鋰離子電池組成。這種新的架構(gòu)系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)優(yōu)化來(lái)最大限度地提高系統(tǒng)效率，使汽車一次充電能夠達(dá)到最長(zhǎng)的行駛距離。電子技術(shù)的這些發(fā)展為減少交通運(yùn)輸?shù)呐欧艅?chuàng)造了條件。

電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力汽車(HEV)

 

電動(dòng)汽車(EV)靠電池行駛，混合動(dòng)力汽車(HEV)也一樣，只是它還利用一個(gè)化石燃料點(diǎn)火的內(nèi)燃機(jī)作為輔助。給這些汽車供電的技術(shù)要想獲得成功并擁有美好的未來(lái)，能效是關(guān)鍵，因此需要智能的電源管理機(jī)制，最大限度地提高將電池能量轉(zhuǎn)換為車輪機(jī)械驅(qū)動(dòng)力的效率，從而增加單次充電的行駛距離，同時(shí)不增加碳排放，理想情況下更是顯著降低碳排放。

電動(dòng)汽車的碳化硅(SiC)電源

 

電動(dòng)汽車的重量、體積和成本以及單次充電的行駛距離與電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率直接相關(guān)。SiC電源部件非常適合在汽車常見(jiàn)的高溫環(huán)境中工作。讓我們仔細(xì)看看碳化硅電源部件在提高系統(tǒng)效率方面的作用。

 

更輕的重量意味著里程數(shù)的延長(zhǎng)。降低電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的重量、成本和尺寸的一種典型方式是提高開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率。我們知道，在較高頻率點(diǎn)工作時(shí)，電感、電容和變壓器等有源元件的尺寸和重量可以縮小。擁抱碳化硅(SiC)解決方案吧。

 

雖然硅(Si)電源器件也能工作在高頻，但SiC的優(yōu)勢(shì)是能夠處理比Si高得多的電壓。SiC是一種寬帶隙的半導(dǎo)體器件，而較寬的帶隙意味著較高的臨界電場(chǎng)(臨界電場(chǎng)是關(guān)斷狀態(tài)下的阻塞電壓)。寬帶隙(WBG)SiC器件的高壓能力允許它們具有更低的導(dǎo)通電阻，從而實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度和單極性工作狀態(tài)，部分原理是其載頻需要被加速至高得多的速度(更高的動(dòng)能)來(lái)克服更寬的帶隙。

 

雖然砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)也具有很高的臨界電場(chǎng)，也是針對(duì)大功率解決方案的改進(jìn)型器件，但SiC還有其它一些優(yōu)勢(shì)，諸如更高的最大工作溫度，很高的德拜溫度，很高的熱傳導(dǎo)性(在多晶SiC中)，在電場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)和低電阻率的高載流子飽和速度，方便生成二氧化硅(SiO2)帶來(lái)的更低的生產(chǎn)成本，以及很高的閾值能量帶來(lái)的更具魯棒性的抗輻射性能。

 

SiC器件在電動(dòng)汽車中有許多關(guān)鍵應(yīng)用?，F(xiàn)有的電力牽引驅(qū)動(dòng)裝置能夠?qū)?5%的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪，這個(gè)效率是相當(dāng)高的，但SiC也能幫助提高效率。電能轉(zhuǎn)換器能夠受益于效率的改進(jìn)，因?yàn)樗軐㈦姵啬芰總鬟f給發(fā)動(dòng)機(jī)，而且能夠在電池充電器電路和任何需要的輔助電源中使用(圖1)。

 

圖1：SiC電源器件在電動(dòng)汽車中有許多用途。

 

將750V轉(zhuǎn)換到27V供低壓電動(dòng)汽車使用的SiC電源，是用SiC功率器件提高電動(dòng)汽車效率的很好例子。這種架構(gòu)將效率從88%提高到了驚人的96%，將尺寸和重量減小了25%，并且與Si解決方案相比不需要用風(fēng)扇來(lái)冷卻多余的熱量。表1顯示了電動(dòng)汽車SiC功率器件的一些重要應(yīng)用。表格中提到的參考信息可以通過(guò)訪問(wèn)本文末尾的參考文獻(xiàn)1找到。

 

表1,電動(dòng)汽車電子架構(gòu)中的一些SiC應(yīng)用(摘自參考文獻(xiàn)1)。

 

(PCU是指電源控制單元；APS是指輔助電源)
 

 

氮化鎵(GaN)對(duì)于電動(dòng)汽車的電源改進(jìn)也功不可沒(méi)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)和直流/直流控制中廣泛使用的IGBT一直是基于硅的產(chǎn)品。這些設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)時(shí)間通常在10kHz至100kHz數(shù)量級(jí)，而GaN器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間可以達(dá)到納秒級(jí)，并且能夠輕松地工作在200℃的汽車環(huán)境下。

 

就像SiC一樣，GaN器件由于具有更高的開(kāi)關(guān)速度，因此也能縮小電源架構(gòu)中電感、電容和變壓器的尺寸，還能因無(wú)源器件尺寸的縮小而減少總的體積和重量。

 

我們將根據(jù)電動(dòng)汽車電池的化學(xué)成分分析它們的功效，比如基于鋰的化學(xué)成分以及具有高能量密度的NiMH。如前面SiC器件部分所述，為了使一次充電能夠行駛更長(zhǎng)的距離，同樣需要提高電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)的效率。

 

硅器件的開(kāi)關(guān)速度和最小導(dǎo)通電阻已經(jīng)達(dá)到最大極限，GaN似乎是超越這些極限的一種可行的方案。實(shí)驗(yàn)表明，如果開(kāi)關(guān)頻率可以提高5倍，電感和電容的體積就可以縮至五分之一。今天的GaN技術(shù)可以支持很高的速度。

 

GaN功率器件在4個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域表現(xiàn)相當(dāng)卓越：高溫工作，更高的擊穿電壓，低導(dǎo)通電阻，適合更高工作頻率的納米級(jí)開(kāi)關(guān)速度。在這些優(yōu)勢(shì)方面GaN與SiC類似，而它們的區(qū)別有兩點(diǎn)：LED和射頻晶體管一直使用GaN；許多硅制造工藝兼容GaN工藝，與SiC較高的基底成本相比，降低了晶圓成本及工藝成本。

 

由于早在2003年就解決了可靠性問(wèn)題，因此今天的技術(shù)成就了已經(jīng)投產(chǎn)的第一批GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)器件。這些都是常態(tài)導(dǎo)通器件，因此0V的柵極電壓將形成導(dǎo)通狀態(tài)，小于0V的任何電壓都將使器件關(guān)斷。早期使用的是SiC基底，一旦Si基底能與GaN完美結(jié)合，生產(chǎn)成本就能顯著降低。2014年實(shí)現(xiàn)的新的級(jí)聯(lián)架構(gòu)將常通器件變?yōu)榱顺嗥骷?/div>