隨著電氣化浪潮的興起，汽車產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷一場深刻的變革。預計到2028年，新車銷量中超過50%將是混合動力或純電動汽車（EV）。

寬禁帶（WBG）半導體在電動汽車中的應用

自本世紀初以來，多種因素推動了汽車中半導體使用量的增加。最初是電子穩(wěn)定控制等安全監(jiān)測應用，隨后是與智能手機和互聯(lián)網(wǎng)的更多交互，如娛樂和導航。過去十年里，駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和動力總成的電氣化大幅增加了汽車中的芯片總量。WBG半導體在這些應用中扮演了越來越重要的角色。例如，氮化鎵（GaN）功率器件被用于驅(qū)動許多新車中半自動和全自動駕駛功能的激光雷達（LIDAR）系統(tǒng)，而碳化硅（SiC）功率器件則用于牽引逆變器應用。

WBG功率器件相比傳統(tǒng)硅基器件的優(yōu)勢包括：

1.材料本身具有更高的電擊穿場強，允許設備更有效地擴展到更高的電壓和功率水平，從而在給定電壓下具有更低的導通損耗。

2.更小的器件導致更低的開關損耗，因為寄生電容更小。

3.上述優(yōu)點還使得高開關頻率成為可能，這可以通過使用更小的磁性元件實現(xiàn)系統(tǒng)級節(jié)省。

4.由于功率損失較低，冷卻系統(tǒng)也可以更小，尤其是SiC器件還具有較低的熱阻，以及在發(fā)動機艙高溫下的更高穩(wěn)定性和可靠性。

5.WBG器件還使得如無橋全橋和T-中性點夾緊（NPC）主動前端電路等更簡單的拓撲成為可能，實現(xiàn)較高效率水平的低成本和簡化的2級轉換器更容易。

從消費者的角度看，上述改進意味著更長的駕駛范圍或更小、更便宜的電池。使用SiC的車輛（電池容量>50kWh）預計將實現(xiàn)凈節(jié)省。

電動汽車及其充電趨勢

混合動力（HEV）和插電式混合動力（PHEV）電動汽車的牽引功率通常小于100kW。在這一類別中，牽引逆變器目前主要由Si IGBTs主導，盡管SiC的使用正在增加。在100-220kW范圍內(nèi)的高性能電動汽車、卡車和SUV正在增加SiC的使用。趨勢是在>100kW范圍內(nèi)的電動汽車占比越來越大。

許多傳統(tǒng)汽車廠商提到的一個常見問題是，缺乏完全發(fā)展的充電基礎設施和當前充電器的慢速充電過程，這是他們不轉向電動汽車的原因。AC 1級和2級充電通常用于通過車載充電器（OBC）為車輛電池充電。AC 1級使用120V，<2kW，充滿一輛小型BEV幾乎需要整整一天。AC 2級使用240V，充電時間根據(jù)使用的功率水平可以從一個小時到幾個小時不等。OBC通常具有功率因數(shù)校正（PFC）AC/DC階段，隨后是DC/DC階段。OBC的當前標準輸出功率為7.2kW和11kW，預計22kW將在未來得到更廣泛的使用。額定電壓為650V的GaN功率器件在OBC應用中提供了許多優(yōu)勢。

功率在7-25kW的DC壁掛式充電箱提供了更快的充電速度，繞過了OBC單元。此外，3級DC快速充電標準被視為大幅加快電動汽車充電速度的方式。充電站的功率范圍從50kW到350kW，針對商用卡車的目標可達到1MW。典型的電動汽車乘用車（100kW電機和50-100kWh電池容量）的充電時間可以縮短到幾分鐘。這一解決方案的關鍵部分是使用800V電池，這相應需要更高電壓的驅(qū)動電子器件。SiC器件的1200V或更高額定值被視為此應用的關鍵。

在迅速發(fā)展的DC快速充電應用領域內(nèi)看到的一些重要趨勢包括：

1.采用模塊化方法，例如將25kW到50kW的模塊堆疊以實現(xiàn)更高功率

2.使用SiC器件實現(xiàn)超過98%的效率

3.支持寬電壓范圍

4.雙向性：這是OBC和DC快速充電器的一個趨勢，為車輛向家庭或電網(wǎng)反饋電力提供了一種方式。雙活橋（DAB）是適合此用途的DC/DC轉換器拓撲之一。

EV DC充電器市場按功率水平的預測分解顯示，到2027年，預計將有41%的強勁累計年增長率（CAGR），其中>100kW充電器將引領這一擴張。

經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，市面上SiC 功率器件不斷的改進和模塊產(chǎn)品組合。其中包括反向電壓額定值范圍為 650 V 至 1700 V 的肖特基二極管和 MOSFET，電阻率也不斷的提高。這些器件可以在 25°C 下進行 1e11 個柵極開關周期（-3V 至 18V）后，閾值電壓僅為 50 mV，表現(xiàn)已經(jīng)是十分穩(wěn)定。