但在我們深入了解 WBG的作用及其運作方式之前，讓我們先簡單了解一下兩個汽車生態系統。

如果您認為電動汽車具有不公平的優勢 - 您是對的！首先，電動機的效率明顯高于汽油發動機。還有更深刻的東西。只要看看20 世紀 60 年代最強大的汽車引擎蓋下 ，你就能真正看到車 底的路面 ！如果你在現代燃氣汽車上做同樣的觀察，你看不到地面，而是看到一排可怕的泵、管子、通風口等等——這是化學工程師的天堂，只專注于污染控制。

電動機不會像汽油發動機那樣產生污染，因此不需要污染控制系統。所有碳氫化合物污染控制都在源頭——發電廠進行。與數百萬輛汽油驅動汽車不同，每輛汽車都支持一個復雜、耗能的自動污染控制系統，而只需要一個這樣的系統，在發電廠本身，由  人工專家和先進的自動化設備不斷監控。最終結果 是，一個極其有效的系統取代了數百萬個效率較低的基于車輛的安排。

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

主電機 在 400 至 800 VAC 范圍內的交流電壓下運行。還有許多 其他設備 需要 令人眼花繚亂的電壓范圍。這一轉換過程是電動汽車運行的核心。WBG 的效率遠高于傳統硅 (Si) 半導體。

想象一下通過開關訪問 LiB 的電壓。當開關打開和關閉時，會產生脈動直流電。通過電氣工程師熟知的路徑，脈動直流電可以轉換為各種交流或直流電壓。關鍵在于開關的效率，以及設備處理熱量的能力。

讓我們來看看 GaN 和 SiC 與傳統硅 (Si) 半導體相比的優勢。

1、切換速度更快。

將直流電轉換為另一種電壓水平的直流電時，WGB 每秒會開啟和關閉數千次，從而產生脈動直流電，切換速度越快，脈沖之間的距離就越近。將 這些“脈沖”轉換為干凈、穩定的直流電的過程需要一個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。這可以節省大量的重量和空間，將直流電轉換為替代傳統車輛汽油發動機的主“拖拉機發動機”所需的交流電時也可以獲得類似的好處。

WGB 半導體的切換速度比硅器件快得多。

2、降低“導通”電阻。

功率半導體通常被稱為開關，而理想的半導體（如 理想的 機電開關）必須呈現盡可能接近零的電阻。如果有任何電阻， 電壓交叉電阻會產生熱量并浪費電力。半導體兩端的電阻，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 半導體比 Si 器件運行效率更高，但不可避免地存在一些效率低下的問題，從而產生熱量。但 WBG 實際上可以承受更多的內部熱量，并且仍能安全高效地運行。此外，WGB 的熱導率 更高，更 容易將寄生熱量從半導體中散發出去。 

GaN和SiC的主要特性差異是什么？

有兩個區別非常 突出， 對電動汽車設計師來說 至關重要。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，但這張經典圖表說明了一切。
 

然而，WGB 在一個方面是 失敗的，那就是成本，特別是對于 SiC 而言。

電動汽車的核心功能之一是傳動系統逆變器，這是一種基于半導體的設備，可將鋰離子電池的直流電壓轉換為為電動汽車主電機供電所需的不斷變化的交流波形。對于功率更大的電動汽車， 功率更大的 SiC 半導體是明顯的技術選擇。但正如我們將看到的，SiC 器件的高成本 是 一個主要障礙。

特斯拉的 SiC 問題

據 PSG Consultancy 報道， 特斯拉是第一家將 SiC 技術應用于傳動系統逆變器的電動汽車制造商。該技術針對的是特斯拉無處不在的 Model 3，是“SiC 行業大規模擴張的催化劑”。我們還可以補充一點，它的影響遠遠超出了交通運輸行業。

隨后，在 2023 年，特斯拉宣布計劃將 SiC 使用量減少 75%，這引發了轟動。人們認為他們可能會采用 成本更低的 GaN 器件，甚至可能恢復到上一代硅 IGBT。

通過觀察特斯拉逆變器的假定內部結構，我們可以獲得一些見解 。

Model  3逆變器的每個支路均采用 8 個并聯部署的 STMicroelectronics 650V SiC MOSFET 。總共有 48 個半導體。雖然價格昂貴，但與之前的傳動系統逆變器相比，其效率有所提高  ，使 Model 3 能夠行駛得更遠，而無需增加 LiB 容量、尺寸或重量。

但該聲明的真實內容可能并不像人們所看到的那樣。

在逆變器底盤內更好地定位 將允許 SiC 散發更多的熱量 ，從而每個半導體都可以 被推動得更遠，從而無需在每條腿上安裝八個半導體。

大量資金投入到 SiC 開發中。性能更強大的半導體意味著所需半導體數量更少。

最終過渡到 800V 系統。電壓越高，電流和熱量越少 新車型可能會采用功率較低的電機，所需的 SiC 半導體相應較少。

然而，更便宜的 GaN 技術的快速發展可能在某些設計案例中使該技術取代 SiC。

適用于 400V 和 800V 電動汽車系統的氮化鎵功率半導體

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

最重要的是，GaN 的開關速度甚至比 SiC還要快  ，更不用說 傳統硅了 。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，尤其是對于價格較低、大眾市場的電動汽車而言

挑戰與機遇

大規模推廣電動汽車的最大障礙是缺乏充電基礎設施。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，以賺取利潤（當然！）  。

從大多數指標來看，充電站到電動汽車車輪之間的路徑效率現在也遠遠超過 90%。最后一個重大前沿是鋰離子電池本身。美國、歐洲和東亞的科學家和工程師正在研究這些問題，其中最關鍵的是 設備 充電需要多長時間。

雖然電動汽車可能是推動 WGB 發展的最初催化劑，但其他技術領域不僅從中獲益，而且還促進了發展。

寬帶隙半導體開關速度更快，導通電阻更低，并且比上一代硅器件更能處理熱量。它們可在整個 電氣和電子設備 范圍內找到 - 從微型醫療可穿戴設備到最大的電動汽車。

 SiC 和 GaN 半導體之間的兩 主要區別是，SiC 可以處理更多功率，而 GaN 切換速度更快且更 便宜。而且至關重要的是，GaN 更易于制造， 因此對 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SiC在 高功率電動 汽車應用領域的主導地位。