先进材料是电动汽车快速发展的关键

世界各地几乎所有的政府/机构都承诺要减少温室气体的排放。在所有这些承诺中，也许欧盟（EU）所做的最雄心勃勃，该组织已确定了到2050年将排放水平降低80％的目标。为达成这一目标，汽车行业将需要大量节能。美国也通过公司平均燃油经济性（CAFE）标准做出对于降低排放的承诺，当然这些标准和数据还在被现政府审查。如果欧盟和美国继续保持这种目前的态势，汽车制造商将面临巨大的压力，需要竭尽全力实现更高的燃油经济性。

这只是短期策略，从长远来看，将需要采用更多的电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）以便能够达成现有的目标。彭博新能源金融（Bloomberg New Energy Finance）研究发现，到2040年，全球电动汽车的出货量将达到约4100万辆，占汽车总出货量的35％，这与当今电动汽车的出货量相比大幅增加。目前全球只有两个国家的电动汽车市场占有率较高：挪威为20％，荷兰为10％左右。其他大多数主要领先国家的电动汽车市场占有率均低于1.5％，这些主要的经济体包括美国、德国、中国、法国、日本和英国。

为了提升电动汽车比较低的市场占有率，电动汽车采用的技术必须要实现重大变革。目前，电动汽车比相同级别的内燃机式发动机汽车更加昂贵，这阻碍了潜在的买家。成本较高的原因主要在于于电动汽车中的功率逆变器和电能存储设备。除了成本之外，电动汽车还有其他便利性方面的缺陷使其甘拜传统汽车下风，例如充满一次电所能行驶的距离以及充电过程所需的时间。成本和便利性方面的问题都归结于功率电子。

如果要电动汽车实现更高的效率，必须采用体积更小、更便宜的逆变器，这也将使汽车行驶更远的距离。针对这些问题可能已经有相应的解决方案。氮化镓（GaN）或碳化硅（SiC）等器件的宽带隙技术（wide bandgap）可以最大限度地降低硅器件固有的功率损耗，这些材料具有比硅器件更高的电子迁移率和更低的RDS（on），两种材料还具备更高的开关速率和更高的击穿电压。

采用这些材料来提高总体功率效率还具有其他优势，特别是在热管理方面。较低的散热量降低了对散热部件的需求，从而降低了相关的物料清单（BOM）成本，而占用的空间也更小。

GaN Systems公司基于氮化镓（GaN）的GS6650x系列晶体管即是能够提供上述优势的一个很好的例证。该系列产品专为电动汽车应用中的更高电压（高达650V）系统而设计，并且采用了该公司专有的Island Technology技术，可在芯片上垂直地汲取电流，不再需要总线，从而节省更多空间和重量。这种技术还可以降低电感损耗，达到较高的品质因数（FoM），从而降低了对饱和电压和开关损耗进行权衡的需求。该系列器件采用GANPX™封装，在保持较小封装尺寸的同时，也使电感和热阻最小化。

这种技术的另一个很好的例证是松下的X-GaN™功率晶体管系列。这些晶体管的击穿电压也高达600V以上，而且外形小巧，运行所需的无源元件数量极少。

图1：用于混合动力/电动汽车设计的GaN Systems公司的GS6650x系列氮化镓晶体管。

图2：传统基于MOS的硅晶体管与松下X-GaN™器件的比较。

另一家公司GeneSiC则专注于碳化硅（SiC）技术，其GA100SIC系列高级IGBT能够提供低损耗运行。具备这种能力的一个原因是，GeneSiC公司已投资开发用基于SiC的肖特基整流器来取代通常的硅基续流二极管（freewheeling diode），因此大大提高了开关性能。希望通过这些例子能够阐述SiC和GaN技术领域的最新进展，在电动汽车系统设计人员实施未来几代的功率逆变器设计时，这些例证也能够为他们提供非常具有竞争力的优势。

由于能够增大电动汽车的行驶距离，减少充电时间，采用碳化硅和氮化镓技术制造的元件注定会激发电动汽车市场的潜力。这些元件能够轻松支持更高电压，并具有更快的开关速度，能够为构建未来几代混合动力/电动汽车动力系统提供一个强有力的平台。总之，宽带隙化合物已经显示出巨大的潜在优势，能够帮助汽车行业实现国际立法机构设定的雄心勃勃的目标。