在不断发展的电力电子半导体器件市场中，越来越多的研究计划旨在解决无损耗和实现近乎完美的可靠性这些复杂问题。高效率和高可靠性是促进电力电子系统分析和设计的两个关键特性。硬件设备要采用很少的特殊类型的功率半导体设计，所以选择合适的功率半导体是一项复杂的任务。
碳化硅(SiC)现在已经成为硅基电子元件的一个替代品，主要是因为宽禁带应用。SiC具有更高的电源效率、更小的尺寸、更轻的重量和更低的系统总成本的综合特性。在过去的十年中，SiC已经成为更具潜力部署在先进电源系统应用中的半导体材料。该材料已在柴油发动机、电子电路和高温转换系统中得到应用。
当谈到可持续发展的未来，制造商和设计师一直在为先进的电力电子系统寻找环保材料。即使在这个令人担忧的领域，SiC也是可持续能源未来的关键，因为它为数据中心电源、风能和太阳能模块，甚至电动汽车驱动转换器中使用的设备提供了所有必需的有利条件。SiC具有更高的功率变换效率，可承受高电压和电流，并可在更高的温度下工作。
随着第三代半导体技术的不断发展，越来越多的SiC和GaN功率元器件被应用在汽车、新能源、消费电子等多个领域，尤其是在电动汽车领域，SiC功率元器件更是其快速发展的助推器。
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SiC驱动电动汽车的未来
SiC正在被积极的研究和开发，从而成为一种更可靠、更鲁棒的材料，来满足电力应用持续的需求和增长。领先的电子设备制造商之一STMicroelectronics(意法半导体)正在致力于开发SiC产品，以符合纯电动汽车应用、太阳能逆变器、储能、工业电机驱动器和电源的可靠性、性能和效率提升的最高标准。总之，该公司更专注于为电动汽车行业提供优质的电力电子设备。
工业应用中的SiC
去年，意法半导体推出了第三代STPower SiC MOSFET，作为其最先进的电动汽车动力总成功率器件。当电动汽车制造商采用800V驱动系统来实现更快的充电速度和减轻电动汽车重量时，意法半导体的新型SiC器件针对这些高端汽车应用进行了优化，例如电动汽车牵引逆变器、车载充电器和DC/DC转换器。
“我们将继续通过器件和封装层面的创新，推动这项激动人心的技术向前发展。” 意法半导体汽车和分立器件产品部副总裁兼功率晶体管事业部总经理Edoardo Merli表示，“作为一家全盘掌控供应链的SiC产品制造商，我们能够为客户提供性能持续改进的产品。我们在不断地投资推进汽车和工业项目，预计2024年意法半导体SiC营收将达到10亿美元。”
另一家名列前茅的制造商是Onsemi(安森美)，它也一直致力于推出用于车载充电器的基于SiC的汽车级功率模块。这些功率器件使用转模封装来提高效率和缩短所有类型电动汽车的充电时间，同时也是专为高功率车载充电器而设计的。当安森美的模块结合了一流的热阻和高压隔离表现出低传导和开关损耗，成为电动汽车制造商的理想选择。
氮化镓电动汽车功率器件
氮化镓(GaN)技术正在支持使纯电动和混合动力汽车充电更快、行驶距离更远。GaN是一种多功能半导体材料，具有在高温和高压下运行的能力，这是电源管理应用的一个关键问题。GaN使汽车制造商能够为电动汽车的车载充电系统实现更可靠的操作。
德州仪器(TI)是GaN产品的主要供应商之一，它的这些产品可有效用于实现汽车行业功率密度的新水平。TI的GaN技术优于SiC，后者在充电过程中会产生大量热量并增加充电时间。TI的GaN技术具有快速的开关速度来提高效率，从而减轻了电动汽车冷却系统的负担。因为电源周围密集的磁性变小了，这进一步降低了整体系统成本并增加了功率密度。最终的结果是GaN减轻了电动汽车的重量并增加了车辆的行驶里程，成为了另一种有前途的电源管理系统半导体材料。
电动汽车在充电站
“我们的客户正在寻找在不大幅增加车辆重量或成本的前提下增加功率的方法，” TI高压电源解决方案副总裁Steve Lambouses表示，“TI高度集成的GaN解决方案使汽车设计师能够开发出更可靠、更经济实用、更高效的充电系统。”
意法半导体也为GaN技术的扩展和研发做出了贡献，其广泛的产品针对从电源和适配器到功率因数校正和DC/DC转换器的应用。意法半导体启动了一项基于GaN技术的全新智能电源计划：STi2GaN，这是一种基于宽禁带半导体的可持续电源系统解决方案。STi2GaN是基于GaN的产品系列，使工程师能够获得大多数具有更高集成度和性能的新半导体材料。结合这些优势，制造商为各种电源应用提供服务，这些应用将受益于更小的尺寸、更高的性能和更低的成本。
结论
电力电子设计人员正在等待突破性技术来重新设计电路并提高能量转换系统的效率。SiC和GaN符合这些要求和期望，并成为电力电子设计最有前途的继任者。SiC器件已部署在电动汽车内部的电源系统中，从而显著的提高了充电站的效率。它们为电动汽车提供了多项优势，例如超过600公里的行驶里程、重量比普通电动汽车轻150至200千克、充电站提供的能量增加一倍，以及因压力降低而延长的电池寿命。
开发集成 GaN 技术是半导体电子设备制造商如何为安全和可持续的未来进行创新的一个例子。随着每一代半导体材料的出现，这些公司都以以前的技术为基础，来实现更高效、更可靠、更具性价比的突破。可持续发展的未来掌握在电动汽车的半导体功率器件手中。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：An Overview of Power Electronics in EVs，由Ricardo Xie编译。)
随着第三代半导体技术的不断发展，越来越多的SiC和GaN功率元器件被应用在汽车、新能源、消费电子等多个领域，尤其是在电动汽车领域，SiC功率元器件更是其快速发展的助推器。
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