開關模式電源(SMPS)通過將開關與能量存儲元件相結合，實現(xiàn)了電壓或電流調(diào)節(jié)。這項技術最初在20世紀引入，最早使用機械開關、真空管，最后使用基于半導體的開關。存儲元件的大小與能量存儲需求成正比，而這種需求則由轉(zhuǎn)換器的功率要求和工作頻率決定。

因此，提高轉(zhuǎn)換器的工作頻率可以減少能量存儲元件的體積，這直接影響到轉(zhuǎn)換器的總體積、功率密度和成本。通過使用寬帶隙(WBG)半導體器件，可以實現(xiàn)這一目標。這篇文章帶你了解WBG基半導體器件在汽車應用中的具體應用。

在任何電動或混合動力汽車中，重要的功率器件如圖1所示。主逆變器是汽車中的關鍵組件，用于控制電動機，同時通過再生制動捕獲釋放的能量并將其回饋給電池。所使用的電動機可以是同步電動機、異步電動機或無刷直流電動機。在電動汽車(EV)中，DC-DC轉(zhuǎn)換器負責將高電壓電池的電能轉(zhuǎn)換為低電壓，以供電力系統(tǒng)總線使用。輔助逆變器或轉(zhuǎn)換器則從高電壓電池中提供電源，供給空調(diào)、電子助力轉(zhuǎn)向、油泵和冷卻泵等多個輔助系統(tǒng)。

電池管理系統(tǒng)在充電和放電過程中控制電池的狀態(tài)。這可以通過智能方式進行，以延長電池的使用壽命。隨著電池年齡的增長，需要通過平衡充電和放電周期的性能來優(yōu)化電池單元的使用。在這種情況下，車載電池充電器起著至關重要的作用，因為它使得電池能夠從標準電源插座充電。

這被視為設計師的額外要求，因為同一電路需要支持不同的電壓和電流水平。此外，還需要為未來的雙向電力傳輸?shù)饶芰ψ龊脺蕚洹?span style="color:rgb(216,79,169);">最好的部分是，基于SiC的器件可以高效地替代基于硅的器件，以實現(xiàn)所有這些功能。

電力電子元件，如牽引逆變器、DC升壓轉(zhuǎn)換器和車載電池充電器，是混合動力和電動汽車(EV)中的關鍵元素。能量效率可能通過兩種關鍵方式受影響——直接通過開關損耗和其他損耗，間接通過增加車輛的體積和重量。已知基于WBG的逆變器能夠通過在更高的開關頻率、效率和溫度下運行，減少直接和間接損耗。通過采用基于SiC的牽引逆變器，預計可以提高代表性混合動力電動汽車的能量效率。

通過增加動力總成電氣化，還可以實現(xiàn)更大的能量節(jié)省。此外，基于WBG轉(zhuǎn)換器所實現(xiàn)的高效、輕量和低成本的直流快速充電基礎設施，將推動電動汽車的商業(yè)可行性和采用率。結合清潔的電力生成組合，這有潛力顯著減少美國四分之一的溫室氣體排放，這些排放源于交通運輸部門。

汽車應用對電動機的要求日益趨向于緊湊型和高性能。電機驅(qū)動電路傳統(tǒng)上基于硅半導體，但在滿足這些嚴格要求方面日益面臨困難。實際上，硅技術正達到其理論極限，受到功率密度、擊穿電壓和開關頻率等限制，從而影響功率損耗。這些限制的主要影響主要表現(xiàn)為效率未達到最佳水平。此外，在高溫和高開關速率下操作時，還可能出現(xiàn)潛在問題。

在高頻操作時，基于硅的功率器件的開關損耗大于導通損耗，這對整體功率損耗產(chǎn)生連鎖影響。為了散發(fā)產(chǎn)生的過剩熱量，需要使用合適的散熱器。這帶來了成本增加、整體設備重量增加和占地面積過大的缺點。

相對而言，基于氮化鎵(GaN)的器件被認為提供了更優(yōu)越的電氣特性，成為高電壓和高開關頻率電動機控制應用中傳統(tǒng)MOSFET和IGBT晶體管的替代方案。隨著開關頻率的增加，基于GaN的晶體管的開關損耗顯著低于基于硅的傳統(tǒng)半導體器件。

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