「拯救我們的地球,讓地球遠離污染!」這是世界各地的科學家和有識之士對降低溫室氣體排放的一致呼聲。由石化燃料引擎驅動的汽車是罪魁禍首,雖然推動汽車行進的替代技術有很多種,但目前唯一可行的方案是——電力(Electricity)。

電動推進技術需要在汽車中整合一種全新架構的動力傳動系統,這種新增加的元件要求相對應的系統元件進行多學科的深入研究。電動汽車系統由電動馬達、電力轉換器和儲能裝置如鋰離子電池組成,這種新的架構系統必須經過優化來最大限度地提高系統效率,使汽車在單次充電便能達到最長的行駛距離,電子技術的發展為減少交通運輸的氣體排放量帶來重要的推進力。

電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)

電動汽車靠電池行駛,混合動力汽車也一樣,只是它還利用一個石化燃料點火的引擎作為輔助。給這些汽車供電的技術要想獲得成功並擁有美好的未來,能效是關鍵,因此需要智慧的電源管理機制,最大化地提高將電池能量轉換為車輪機械驅動力的效率,從而增加單次充電的行駛距離,同時不增加碳排放,理想情況下更是能顯著降低碳排放。

電動汽車的碳化矽(SiC)功率

電動汽車的重量、體積和成本,以及單次充電的行駛距離與電力轉換系統的效率直接相關。SiC電源元件非常適合在汽車常見的高溫環境中工作。讓我們仔細看看SiC電源元件如何提高系統效率。

更輕的重量意味著里程數的延長。降低電源轉換系統的重量、成本和尺寸的一種典型方式是提高開關穩壓器的開關頻率。我們都知道,在較高頻率點工作時,電感、電容和變壓器等主動元件的尺寸和重量可以縮小,既然如此,快採用SiC解決方案吧。

雖然矽(Si)電源元件也能工作在高頻,但SiC的優勢是能夠處理比Si高得多的電壓。SiC是一種寬能隙(wide band gap,WBG)的半導體元件,而較寬的能隙意味著較高的臨界電場(臨界電場是關斷狀態下的阻塞電壓)。寬頻隙SiC元件的高壓能力允許它們具有更低的導通電阻,從而實現更快的開關速度和單極性工作狀態,部分原理是其載頻需要被加速至更高的速度(更高的動能)來克服更寬的能隙。

雖然砷化鎵(GaA)和氮化鎵(GaN)也具有很高的臨界電場,也是針對大功率解決方案的改進型元件,但SiC還有其他優勢。諸如更高的最大工作溫度,很高的德拜溫度(Debye temperature),很高的熱傳導性(在多晶SiC中),在電場中實現快速開關和低電阻率的高載流子飽和速度,方便生成二氧化矽(SiO2)帶來的更低的生產成本,以及很高的閾值能量導致更強的輻射硬化(radiation hardening)。

SiC元件在電動汽車中有許多關鍵應用。現有的電力牽引驅動裝置能夠將85%的電能轉換為機械動能以驅動車輪,這個效率是相當高的,但SiC也能協助提高效率。電能轉換器能受益於效率的改進,因為它能將電池能量傳遞給發動機,而且能在電池充電器電路和任何需要的輔助電源中使用(圖1)。

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圖1 SiC電源元件在電動汽車中有許多用途。



將750V轉換到27V供低壓電動汽車使用的SiC電源供應,是用SiC功率元件提高電動汽車效率的很好例子。這種架構將效率從88%提高到了驚人的96%,將尺寸和重量減少了25%,並且與Si解決方案相比不需要用風扇來冷卻多餘的熱量。表1顯示電動汽車SiC功率元件的一些重要應用。

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表1 電動汽車電子架構中的一些SiC應用。(PCU是指電源控制單元;APS是指輔助電源)(表格來源:2015 Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies)



電動汽車的GaN功率

GaN對於電動汽車的電源改進也功不可沒。馬達驅動和直流/直流控制中廣泛使用的絕緣柵雙極電晶體(IGBT)一直是基於Si的產品。這些設計的開關時間通常在10k~100kHz數量級,而GaN元件的開關時間可以達到奈秒(ns)級,並且能夠輕鬆地在200℃的汽車環境下工作。

就像SiC一樣,GaN元件由於具有更高的開關速度,因此也能縮小電源架構中電感、電容和變壓器的尺寸,還能因被動元件尺寸的縮小而減少總體積和重量。

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