欧盟制定了一个雄心勃勃的目标,即到 2050 年将其总体温室气体排放量降低至少 80%。要实现该目标,汽车行业的贡献将非常重要。美国企业平均燃油经济性(CAFE)标准虽然很可能要经受特朗普政府的审查,但它在改善车辆的环境保护方面发挥了重要作用。如果这些标准保持不变,汽车制造商将需要在各个方面明显改善燃油的经济性,预计到 2022 年将达到每加伦汽油 49 英里(49mpg)的平均水平。
 
如果要实现所有这些目标,使电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)具备更大的市场占有率将变得至关重要。根据彭博新能源财经(Bloomberg New Energy Finance)进行的分析预测,到 2040 年,电动汽车将占全球汽车年出货量的 35%(相当于 4100 万辆)。但是,这些距离我们今天市场看到的情况仍然存在着巨大的差距。除挪威(现在销售的超过 20%的汽车是插电式电动汽车)和荷兰(电动汽车拥有接近 10%的市场占有率)之外,包括德国、美国、中国、法国、英国和日本等全球领先的经济体,电动汽车的市场占有率都低于 1.5%。
 
要实现从内燃机型的汽车发动机到更环保的 HEV/EV 型汽车的重大转变,必须克服的核心挑战就是非常重要的功率电子技术。购买汽车时消费者需要支付一笔不太情愿的初始投资,这些高昂的费用主要来自电源逆变器和储能元件的成本。其他主要的挑战包括充电一次汽车所能行驶的距离以及充电过程的时间长短。同样,这些问题也源于所使用的功率电子。
 
提高电源的效率水平将有助于使逆变器体积更小,因此也具有更高的性能价格比。这也将使它们变得更轻,从而使车辆能够行驶更远的距离。同时,氮化镓(GaN)或碳化硅(SiC)等宽带隙技术的出现提供了可以避免硅器件中固有功率损失的技术途径。 GaN 和 SiC 都比硅器件具有更高的电子迁移率和更低的 RDS [ON]参数,它们还支持高开关速度,并具有更高的击穿电压和更高的导热性能(尤其是 SiC)。提高功率转换效率可为热管理带来很多好处。例如,散热问题变得不再那么令人担心,因而使材料清单成本更低,占用空间更少,同时仍然保持高的可靠性。
 
GaN Systems 公司的 GS6650x 系列氮化镓晶体管针对 HEV/EV 设计中的高压系统(高达 650V)而进行了优化,由于采用了该公司专有的 Island Technology,可以不再需要母线排(bus bars),因而能够节省空间。这些晶体管还可以垂直地从芯片上得到电流,能够降低电感损耗并实现更高的品质因数(FoM)值。这反过来又有助于减轻饱和电压和开关损耗之间的折衷,该系列产品采用 GANPX™封装,尽管外形紧凑,也能够确保电感和热阻都得到有效抑制。
 
同样, Panasonic’s X-GaN 系列增强模式氮化镓功率晶体管器件都具有更高的击穿电压(600V 以上),同时只需占用最小的 PCB 空间和数量非常有限的附加无源组件。
 
图 1:用于 HEV/EV 设计的 GaN Systems 的 GS6650x 系列氮化镓晶体管。
 
图 2:传统的 MOS 硅晶体管与 Panasonic’s X-GaN™器件的外形比较。
 
GeneSiC 在其 GA100SIC 系列产品上结合了先进的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的低损耗与 SiC 二极管,通过用基于 SiC 的肖特基整流器(SiC-based Schottky rectifiers)取代传统的硅续流二极管(freewheeling diodes),开关性能得到大幅度提升。
 
这里列举的是碳化硅和氮化镓领域产品创新的几个例子,仅供汽车工程师实施下一代功率逆变器技术时参考。
 
由于采用宽带隙化合物的功率分立器件能够支持更高电压和更快的开关速度,因此注定是未来 HEV/EV 动力系统所依赖的基础。这些新兴半导体材料所拥有的巨大潜力才刚刚开始得到认可。