碳化硅和氮化鎵等寬帶隙產品正在推動電動汽車 (EV) 的大規模部署。SiC MOSFET 在為牽引逆變器供電方面發揮著重要作用，與主流硅 IGBT 相比，效率顯著提升。電動汽車內的其他系統也受益于寬帶隙技術的出現，例如直流/直流轉換器和充電器。但其他產品的作用也不容忽視。其中包括電池管理系統和鋰離子電池。

　　如今，電動汽車代表了對電動汽車需求的切實回應，特別是在新型功率半導體(即寬帶隙)出現之后。下圖顯示了構成 EV 的主要模塊。

　　所有電動汽車的核心都是主牽引逆變器，它從直流電源(電池)生成正弦電壓波形來為電動機供電。DC/DC 轉換器放置在兩個子系統之間，以調節電池的高電壓。如今，大多數型號都使用 400V 總線，但 800V 總線正在蓬勃發展，使得擴大功率變得更加容易。該車輛的電池可以通過兩種模式充電：使用交流電源供電的車載充電器(這是一個緩慢的過程)，以及通過充電站的直流電源充電以實現更快的充電。

　　2021年全球公共充電樁數量接近180萬個，其中快速快速充電器占30%。中國是電動汽車領域無可爭議的領先者，安裝了全球85%的快速充電樁和55%的慢速充電點。充電器的額定功率通常為 3 kW(慢速，用于家庭和工作場所)、7 kW 至 22 kW(快速，可在停車場、超市和公共場所使用)和 43 kW 以上(快速，安裝在高速公路和加油站) )。7 千瓦充電器充滿電需要四到六個小時，而 22 千瓦充電器只需兩小時即可完成充電。最后，快速充電器可以在 30 分鐘內將電池充電至 80%。

　　如今，此類模塊受益于 600V 和 1,200V 等級碳化硅 MOSFET 的可用性。后者不僅用于由 800V 電池供電的牽引逆變器，還用于越來越普遍的高功率、快速非車載充電器。為什么新型半導體如此重要?因為它們可以提高系統效率。

　　WBG 半導體在電動汽車中的優勢

　　讓我們看看以硅為基準時，WBG 半導體的主要特性是什么。首先，它們表現出寬帶隙，這代表電子從價帶(它們與原子鍵合)躍遷到導帶(它們作為電流自由流動)的能量。即使導通電阻較低，該功能也可轉化為更高的阻斷電壓能力，從而改善傳導損耗。另一個重要特性是增強了開關速度，從而降低了開關損耗。這些材料還可以在比硅更高的溫度下更安全地工作，從而減輕封裝和散熱器設計的負擔。

　　作為一個例子，讓我們考慮一個使用 800V 電池以 10kHz 運行的 210kW 逆變器。我們感興趣的是模擬效率，定義為P out ÷ ( P out + P loss )。通過使用 1,200V SiC MOSFET 代替具有反并聯二極管的硅 IGBT 為逆變器供電，我們將半導體總面積減少了 5 倍，開關損耗減少了 4 倍。因此，效率作為負載的函數，定義為逆變器實際輸出功率與最大值的比值上升，超過98%。在大負載范圍內，效率曲線“更平坦”。這是非常有益的，特別是在低負載和中等負載的情況下，電動汽車大部分時間都處于標準駕駛模式。

　　截至目前，SiC MOSFET代表了電動汽車逆變器中無與倫比的解決方案。一些努力的目標是在逆變器中使用氮化鎵 HEMT，但其 600V 電壓能力強制采用多電平拓撲。車載充電器和 DC/DC 轉換器將受益于 GaN，因為此類設備可以在更高的頻率下運行，同時進一步減小無源元件的尺寸和重量。

　　SiC MOSFET 有兩大類：平面型和溝槽型，兩者各有優缺點。顯然，SiC 供應商面臨的困境是直接跳到溝槽是否有意義，理論上溝槽可以降低導通電阻，但會損害工藝的簡單性。另一方面，平面SiC MOSFET在不徹底改變其結構的情況下仍然表現出足夠的改進余地。STMicroElectronics、Wolfspeed 和 Onsemi 等供應商提供平面 SiC MOSFET，而羅姆半導體和英飛凌科技則選擇了溝槽選項。還存在常開狀態的 SiC JFET，以共源共柵解決方案 (UnitedSiC) 提供。

　　電動汽車的強勁需求是SiC市場增長的驅動力。Strategy Analytics 的數據顯示，2022 年至 2027 年間，傳統內燃機車型的復合年增長率將為 –3%。相比之下，xEV(包括電池電動汽車和混合動力車型)的復合年增長率為 18%。另一家市場研究公司 Yole 預測 SiC 市場將從 2021 年的 10 億美元增長到 2027 年的 63 億美元。SiC 產品占整個市場的 90%，其中包括充電基礎設施。

　　為了應對如此高的增長率，半導體買家和最終用戶要求供應鏈變得越來越安全和更有彈性。為此，一些供應商正在實現垂直一體化，即從基礎材料到成品的所有制造步驟都在內部控制。其他公司則與基板供應商簽署了戰略供應協議。所有這些努力都是為了保護汽車制造商和一級客戶免受地緣政治緊張局勢造成的材料/產品短缺可能造成的干擾。回報可以通過不斷增加的電動汽車平臺設計數量來衡量。

　　效率還與更小、更輕的組件以及要求更低、體積更小的散熱器密切相關，所有這些都是電動汽車急需的。但仍然從半導體的角度來看，電池會發生什么?電動汽車內部如何處理電池?

　　汽車電池管理系統(BMS)

　　讓我們了解其他重要半導體的功能，其作用是使當今的電動汽車電池正常工作。這是由汽車電池管理系統(BMS)完成的，該系統可以被視為電動汽車電池組的“大腦”，其性能強烈影響電動汽車的續駛里程和電池壽命。因此，BMS 是一種控制可充電電池(單節或多節電池)的電子電路，旨在最大限度地提高其在能量存儲和電池壽命方面的整體性能。BMS 保護電池免受深度放電和過壓的影響，這種情況可能是由極快的充電和極高的放電電流引起的。它還在多個電池的情況下提供電池平衡功能，監控電池的健康狀況并將電池狀態傳達給 MCU 等更高級別的系統。所有這些功能都確保了電池中剩余能量的最佳利用。

　　溫度是需要仔細監測的關鍵參數。雖然較高的溫度會加強電池內部的化學反應，從而提高性能并增加存儲容量，但代價是隨著時間的推移，生命周期會縮短。長期在30℃以上，使用壽命降低20%。另一方面，在低溫下，電池的內阻會增加，這意味著充電需要更多的努力，這會轉化為有效的容量損失。如果沒有 BMS 的關鍵功能，電池將無法得到有效利用，電動汽車的性能也會令人失望。

　　結論

　　電動汽車的好處是無可爭議的，因為它們可以幫助加速能源轉型和電動汽車，如果大規模使用，可以實現更清潔的環境和脫碳經濟。半導體公司迅速做出反應，提供了新的寬帶隙功率組件，其采用可大幅提高效率。為了準備改進電池技術，使電動汽車更具吸引力和價格實惠，可以改變游戲規則，還可以使用特定的產品來處理電池組。

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