但在我們深入了解 WBG的作用及其運(yùn)作方式之前，讓我們先簡單了解一下兩個(gè)汽車生態(tài)系統(tǒng)。

如果您認(rèn)為電動(dòng)汽車具有不公平的優(yōu)勢 - 您是對(duì)的！首先，電動(dòng)機(jī)的效率明顯高于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。還有更深刻的東西。只要看看20 世紀(jì) 60 年代最強(qiáng)大的汽車引擎蓋下 ，你就能真正看到車 底的路面 ！如果你在現(xiàn)代燃?xì)馄�車上做同樣的觀察，你看不到地面，而是看到一排可怕的泵、管子、通風(fēng)口等等——這是化學(xué)工程師的天堂，只專注于污染控制。

電動(dòng)機(jī)不會(huì)像汽油發(fā)動(dòng)機(jī)那樣產(chǎn)生污染，因此不需要污染控制系統(tǒng)。所有碳?xì)浠�合物污染控制都在源頭——發(fā)電廠進(jìn)行。與數(shù)百萬輛汽油驅(qū)動(dòng)汽車不同，每輛汽車都支持一個(gè)復(fù)雜、耗能的自動(dòng)污染控制系統(tǒng)，而只需要一個(gè)這樣的系統(tǒng)，在發(fā)電廠本身，由  人工專家和先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備不斷監(jiān)控。最終結(jié)果 是，一個(gè)極其有效的系統(tǒng)取代了數(shù)百萬個(gè)效率較低的基于車輛的安排。

電動(dòng)汽車的“油箱”——也就是它的電源儲(chǔ)存器——是鋰離子電池 (LiB)，它儲(chǔ)存了大約 150 千瓦時(shí)的 800 伏直流電。問題是汽車中只有極少數(shù)的電能以 800 伏直流電運(yùn)行。

主電機(jī) 在 400 至 800 VAC 范圍內(nèi)的交流電壓下運(yùn)行。還有許多 其他設(shè)備 需要 令人眼花繚亂的電壓范圍。這一轉(zhuǎn)換過程是電動(dòng)汽車運(yùn)行的核心。WBG 的效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅 (Si) 半導(dǎo)體。

想象一下通過開關(guān)訪問 LiB 的電壓。當(dāng)開關(guān)打開和關(guān)閉時(shí)，會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)直流電。通過電氣工程師熟知的路徑，脈動(dòng)直流電可以轉(zhuǎn)換為各種交流或直流電壓。關(guān)鍵在于開關(guān)的效率，以及設(shè)備處理熱量的能力。

讓我們來看看 GaN 和 SiC 與傳統(tǒng)硅 (Si) 半導(dǎo)體相比的優(yōu)勢。

1、切換速度更快。

將直流電轉(zhuǎn)換為另一種電壓水平的直流電時(shí)，WGB 每秒會(huì)開啟和關(guān)閉數(shù)千次，從而產(chǎn)生脈動(dòng)直流電，切換速度越快，脈沖之間的距離就越近。將 這些“脈沖”轉(zhuǎn)換為干凈、穩(wěn)定的直流電的過程需要一個(gè)主要由電感器和電容器組成的“濾波器”。脈沖頻率越高，濾波器元件就可以越小。這可以節(jié)省大量的重量和空間，將直流電轉(zhuǎn)換為替代傳統(tǒng)車輛汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的主“拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)”所需的交流電時(shí)也可以獲得類似的好處。

WGB 半導(dǎo)體的切換速度比硅器件快得多。

2、降低“導(dǎo)通”電阻。

功率半導(dǎo)體通常被稱為開關(guān)，而理想的半導(dǎo)體（如 理想的 機(jī)電開關(guān)）必須呈現(xiàn)盡可能接近零的電阻。如果有任何電阻， 電壓交叉電阻會(huì)產(chǎn)生熱量并浪費(fèi)電力。半導(dǎo)體兩端的電阻，即器件“源極”和“漏極”之間的電阻， 稱為RSD(ON)。

在這里，WGB 也完勝 Si 器件。

3、熱量。

雖然 WGB 半導(dǎo)體比 Si 器件運(yùn)行效率更高，但不可避免地存在一些效率低下的問題，從而產(chǎn)生熱量。但 WBG 實(shí)際上可以承受更多的內(nèi)部熱量，并且仍能安全高效地運(yùn)行。此外，WGB 的熱導(dǎo)率 更高，更 容易將寄生熱量從半導(dǎo)體中散發(fā)出去。 

GaN和SiC的主要特性差異是什么？

有兩個(gè)區(qū)別非常 突出， 對(duì)電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)師來說 至關(guān)重要。基本上來說，SiC 可以處理更多功率，但 GaN 可以切換得更快。沙子在不斷移動(dòng)，但這張經(jīng)典圖表說明了一切。
 

然而，WGB 在一個(gè)方面是 失敗的，那就是成本，特別是對(duì)于 SiC 而言。

電動(dòng)汽車的核心功能之一是傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器，這是一種基于半導(dǎo)體的設(shè)備，可將鋰離子電池的直流電壓轉(zhuǎn)換為為電動(dòng)汽車主電機(jī)供電所需的不斷變化的交流波形。對(duì)于功率更大的電動(dòng)汽車， 功率更大的 SiC 半導(dǎo)體是明顯的技術(shù)選擇。但正如我們將看到的，SiC 器件的高成本 是 一個(gè)主要障礙。

特斯拉的 SiC 問題

據(jù) PSG Consultancy 報(bào)道， 特斯拉是第一家將 SiC 技術(shù)應(yīng)用于傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器的電動(dòng)汽車制造商。該技術(shù)針對(duì)的是特斯拉無處不在的 Model 3，是“SiC 行業(yè)大規(guī)模擴(kuò)張的催化劑”。我們還可以補(bǔ)充一點(diǎn)，它的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了交通運(yùn)輸行業(yè)。

隨后，在 2023 年，特斯拉宣布計(jì)劃將 SiC 使用量減少 75%，這引發(fā)了轟動(dòng)。人們認(rèn)為他們可能會(huì)采用 成本更低的 GaN 器件，甚至可能恢復(fù)到上一代硅 IGBT。

通過觀察特斯拉逆變器的假定內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們可以獲得一些見解 。

Model  3逆變器的每個(gè)支路均采用 8 個(gè)并聯(lián)部署的 STMicroelectronics 650V SiC MOSFET 。總共有 48 個(gè)半導(dǎo)體。雖然價(jià)格昂貴，但與之前的傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器相比，其效率有所提高  ，使 Model 3 能夠行駛得更遠(yuǎn)，而無需增加 LiB 容量、尺寸或重量。

但該聲明的真實(shí)內(nèi)容可能并不像人們所看到的那樣。

在逆變器底盤內(nèi)更好地定位 將允許 SiC 散發(fā)更多的熱量 ，從而每個(gè)半導(dǎo)體都可以 被推動(dòng)得更遠(yuǎn)，從而無需在每條腿上安裝八個(gè)半導(dǎo)體。

大量資金投入到 SiC 開發(fā)中。性能更強(qiáng)大的半導(dǎo)體意味著所需半導(dǎo)體數(shù)量更少。

最終過渡到 800V 系統(tǒng)。電壓越高，電流和熱量越少 新車型可能會(huì)采用功率較低的電機(jī)，所需的 SiC 半導(dǎo)體相應(yīng)較少。

然而，更便宜的 GaN 技術(shù)的快速發(fā)展可能在某些設(shè)計(jì)案例中使該技術(shù)取代 SiC。

適用于 400V 和 800V 電動(dòng)汽車系統(tǒng)的氮化鎵功率半導(dǎo)體

“盡管硅基 GaN 利用了現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，并且通常限制在 650V，但 Qromis 襯底上 GaN 技術(shù) (QST) 的出現(xiàn)允許使用更厚的外延層。這項(xiàng)創(chuàng)新使工作電壓更高，可能高達(dá) 1,200V 或更高。” 這使得 GaN 半導(dǎo)體幾乎可以用于為所有現(xiàn)有的電動(dòng)汽車和即將 面世 的所有電動(dòng)汽車供電。而且，最重要的是，SiC 器件的制造難度要大得多，這當(dāng)然反映在其更高的成本上。

最重要的是，GaN 的開關(guān)速度甚至比 SiC還要快  ，更不用說 傳統(tǒng)硅了 。這意味著更高的效率，以及 更低的重量和空間要求。

出于這些原因以及其他原因，GaN 將與 SiC 展開競爭，尤其是對(duì)于價(jià)格較低、大眾市場的電動(dòng)汽車而言

挑戰(zhàn)與機(jī)遇

大規(guī)模推廣電動(dòng)汽車的最大障礙是缺乏充電基礎(chǔ)設(shè)施。汽油零售商看到了這一趨勢，于是采取了合乎邏輯的舉措，為駕車者 提供充電服務(wù)，以賺取利潤（當(dāng)然！）  。

從大多數(shù)指標(biāo)來看，充電站到電動(dòng)汽車車輪之間的路徑效率現(xiàn)在也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 90%。最后一個(gè)重大前沿是鋰離子電池本身。美國、歐洲和東亞的科學(xué)家和工程師正在研究這些問題，其中最關(guān)鍵的是 設(shè)備 充電需要多長時(shí)間。

雖然電動(dòng)汽車可能是推動(dòng) WGB 發(fā)展的最初催化劑，但其他技術(shù)領(lǐng)域不僅從中獲益，而且還促進(jìn)了發(fā)展。

寬帶隙半導(dǎo)體開關(guān)速度更快，導(dǎo)通電阻更低，并且比上一代硅器件更能處理熱量。它們可在整個(gè) 電氣和電子設(shè)備 范圍內(nèi)找到 - 從微型醫(yī)療可穿戴設(shè)備到最大的電動(dòng)汽車。

 SiC 和 GaN 半導(dǎo)體之間的兩 主要區(qū)別是，SiC 可以處理更多功率，而 GaN 切換速度更快且更 便宜。而且至關(guān)重要的是，GaN 更易于制造， 因此對(duì) OEM 來說成本更低。 

GaN器件先前在處理功率和工作電壓方面的限制正在逐漸克服，使其能夠挑戰(zhàn)SiC在 高功率電動(dòng) 汽車應(yīng)用領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。