由石化燃料引擎驅(qū)動的汽車加劇了地球的溫室效果，如何不斷降低溫室氣體的排放，以推動汽車業(yè)的替代技術(shù)，目前唯一可行的方案是——電力(Electricity)。

電動汽車整合了一種全新架構(gòu)的動力傳動系統(tǒng)，電動汽車系統(tǒng)由電動馬達(dá)、電力轉(zhuǎn)換器和儲能裝置(如鋰離子電池)組成。這種新的架構(gòu)系統(tǒng)必須經(jīng)過優(yōu)化，以便最大限度地提高系統(tǒng)效率，使汽車在單次充電就能達(dá)到最長的行駛距離，電子技術(shù)的發(fā)展為減少交通運(yùn)輸?shù)臍怏w排放量帶來重要的推進(jìn)力。

電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)

電動汽車靠電池行駛，給汽車供電的技術(shù)要想獲得成功并擁有美好的未來，能效是關(guān)鍵，因此需要智能的電源管理機(jī)制，最大化地提高將電池能量轉(zhuǎn)換為車輪機(jī)械驅(qū)動力的效率，從而增加單次充電的行駛距離，同時不增加碳排放，理想情況下更是能顯著降低碳排放。

電動汽車的碳化硅(SiC)功率

電動汽車的重量、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電源組件非常適合在汽車常見的高溫環(huán)境中工作。讓我們仔細(xì)看看SiC電源組件如何提高系統(tǒng)效率。

更輕的重量意味著里程數(shù)的延長。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關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率。我們都知道，在較高頻率點(diǎn)工作時，電感、電容和變壓器等主動組件的尺寸和重量可以縮小。

雖然硅(Si)電源組件也能工作在高頻，但SiC的優(yōu)勢是能夠處理比Si高得多的電壓。SiC是一種寬能隙(wide band gap，WBG)的半導(dǎo)體組件，而較寬的能隙意味著較高的臨界電場(臨界電場是關(guān)斷狀態(tài)下的阻塞電壓)。寬帶隙SiC組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更高的速度(更高的動能)來克服更寬的能隙。

雖然砷化鎵(GaA)和氮化鎵(GaN)也具有很高的臨界電場，也是針對大功率解決方案的改進(jìn)型組件，但SiC還有其他優(yōu)勢。諸如更高的最大工作溫度，很高的德拜溫度(Debye temperature)，很高的熱傳導(dǎo)性(在多晶SiC中)，在電場中實(shí)現(xiàn)快速開關(guān)和低電阻率的高載流子飽和速度，方便生成二氧化硅(SiO2)帶來的更低的生產(chǎn)成本，以及很高的閾值能量導(dǎo)致更強(qiáng)的輻射硬化(radiation hardening)。

SiC組件在電動汽車中有許多關(guān)鍵應(yīng)用。現(xiàn)有的電力牽引驅(qū)動裝置能夠?qū)?5%的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動能以驅(qū)動車輪，這個效率是相當(dāng)高的，但SiC也能協(xié)助提高效率。電能轉(zhuǎn)換器能受益于效率的改進(jìn)，因?yàn)樗軐㈦姵啬芰總鬟f給發(fā)動機(jī)，而且能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電源組件在電動汽車中有許多用途

將750V轉(zhuǎn)換到27V供低壓電動汽車使用的SiC電源供應(yīng)，是用SiC功率組件提高電動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%，將尺寸和重量減少了25%，并且與Si解決方案相比不需要用風(fēng)扇來冷卻多余的熱量。表1顯示電動汽車SiC功率組件的一些重要應(yīng)用。

表1 電動汽車電子架構(gòu)中的一些SiC應(yīng)用(PCU是指電源控制單元；APS是指輔助電源)

電動汽車的GaN功率

GaN對于電動汽車的電源改進(jìn)也功不可沒。馬達(dá)驅(qū)動和直流/直流控制中廣泛使用的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)一直是基于Si的產(chǎn)品。這些設(shè)計的開關(guān)時間通常在10k~100kHz數(shù)量級，而GaN組件的開關(guān)時間可以達(dá)到奈秒(ns)級，并且能夠輕松地在200℃的汽車環(huán)境下工作。

就像SiC一樣，GaN組件由于具有更高的開關(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，還能因被動組件尺寸的縮小而減少總體積和重量。

我們將根據(jù)電動汽車電池的化學(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鎳氫電池(NiMH)。如前面SiC組件部分所述，為了使一次充電能夠行駛更長的距離，同樣需要提高電源轉(zhuǎn)換架構(gòu)的效率。

Si組件的開關(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，如果開關(guān)頻率可以提高5倍，電感和電容的體積就可以縮小至五分之一。今天的GaN技術(shù)可以支持很高的速度。