碳化硅和氮化镓等宽带隙产品正在推动电动汽车 (EV) 的大规模部署。SiC MOSFET 在为牵引逆变器供电方面发挥着重要作用，与主流硅 IGBT 相比，效率显着提升。电动汽车内的其他系统也受益于宽带隙技术的出现，例如直流/直流转换器和充电器。但其他产品的作用也不容忽视。其中包括电池管理系统和锂离子电池。

　　如今，电动汽车代表了对电动汽车需求的切实回应，特别是在新型功率半导体(即宽带隙)出现之后。下图显示了构成 EV 的主要模块。

　　所有电动汽车的核心都是主牵引逆变器，它从直流电源(电池)生成正弦电压波形来为电动机供电。DC/DC 转换器放置在两个子系统之间，以调节电池的高电压。如今，大多数型号都使用 400V 总线，但 800V 总线正在蓬勃发展，使得扩大功率变得更加容易。该车辆的电池可以通过两种模式充电：使用交流电源供电的车载充电器(这是一个缓慢的过程)，以及通过充电站的直流电源充电以实现更快的充电。

　　2021年全球公共充电桩数量接近180万个，其中快速快速充电器占30%。中国是电动汽车领域无可争议的领先者，安装了全球85%的快速充电桩和55%的慢速充电点。充电器的额定功率通常为 3 kW(慢速，用于家庭和工作场所)、7 kW 至 22 kW(快速，可在停车场、超市和公共场所使用)和 43 kW 以上(快速，安装在高速公路和加油站) )。7 千瓦充电器充满电需要四到六个小时，而 22 千瓦充电器只需两小时即可完成充电。最后，快速充电器可以在 30 分钟内将电池充电至 80%。

　　如今，此类模块受益于 600V 和 1,200V 等级碳化硅 MOSFET 的可用性。后者不仅用于由 800V 电池供电的牵引逆变器，还用于越来越普遍的高功率、快速非车载充电器。为什么新型半导体如此重要?因为它们可以提高系统效率。

　　WBG 半导体在电动汽车中的优势

　　让我们看看以硅为基准时，WBG 半导体的主要特性是什么。首先，它们表现出宽带隙，这代表电子从价带(它们与原子键合)跃迁到导带(它们作为电流自由流动)的能量。即使导通电阻较低，该功能也可转化为更高的阻断电压能力，从而改善传导损耗。另一个重要特性是增强了开关速度，从而降低了开关损耗。这些材料还可以在比硅更高的温度下更安全地工作，从而减轻封装和散热器设计的负担。

　　作为一个例子，让我们考虑一个使用 800V 电池以 10kHz 运行的 210kW 逆变器。我们感兴趣的是模拟效率，定义为P out ÷ ( P out + P loss )。通过使用 1,200V SiC MOSFET 代替具有反并联二极管的硅 IGBT 为逆变器供电，我们将半导体总面积减少了 5 倍，开关损耗减少了 4 倍。因此，效率作为负载的函数，定义为逆变器实际输出功率与最大值的比值上升，超过98%。在大负载范围内，效率曲线“更平坦”。这是非常有益的，特别是在低负载和中等负载的情况下，电动汽车大部分时间都处于标准驾驶模式。

　　截至目前，SiC MOSFET代表了电动汽车逆变器中无与伦比的解决方案。一些努力的目标是在逆变器中使用氮化镓 HEMT，但其 600V 电压能力强制采用多电平拓扑。车载充电器和 DC/DC 转换器将受益于 GaN，因为此类设备可以在更高的频率下运行，同时进一步减小无源元件的尺寸和重量。

　　SiC MOSFET 有两大类：平面型和沟槽型，两者各有优缺点。显然，SiC 供应商面临的困境是直接跳到沟槽是否有意义，理论上沟槽可以降低导通电阻，但会损害工艺的简单性。另一方面，平面SiC MOSFET在不彻底改变其结构的情况下仍然表现出足够的改进余地。STMicroElectronics、Wolfspeed 和 Onsemi 等供应商提供平面 SiC MOSFET，而罗姆半导体和英飞凌科技则选择了沟槽选项。还存在常开状态的 SiC JFET，以共源共栅解决方案 (UnitedSiC) 提供。

　　电动汽车的强劲需求是SiC市场增长的驱动力。Strategy Analytics 的数据显示，2022 年至 2027 年间，传统内燃机车型的复合年增长率将为 –3%。相比之下，xEV(包括电池电动汽车和混合动力车型)的复合年增长率为 18%。另一家市场研究公司 Yole 预测 SiC 市场将从 2021 年的 10 亿美元增长到 2027 年的 63 亿美元。SiC 产品占整个市场的 90%，其中包括充电基础设施。

　　为了应对如此高的增长率，半导体买家和最终用户要求供应链变得越来越安全和更有弹性。为此，一些供应商正在实现垂直一体化，即从基础材料到成品的所有制造步骤都在内部控制。其他公司则与基板供应商签署了战略供应协议。所有这些努力都是为了保护汽车制造商和一级客户免受地缘政治紧张局势造成的材料/产品短缺可能造成的干扰。回报可以通过不断增加的电动汽车平台设计数量来衡量。

　　效率还与更小、更轻的组件以及要求更低、体积更小的散热器密切相关，所有这些都是电动汽车急需的。但仍然从半导体的角度来看，电池会发生什么?电动汽车内部如何处理电池?

　　汽车电池管理系统(BMS)

　　让我们了解其他重要半导体的功能，其作用是使当今的电动汽车电池正常工作。这是由汽车电池管理系统(BMS)完成的，该系统可以被视为电动汽车电池组的“大脑”，其性能强烈影响电动汽车的续驶里程和电池寿命。因此，BMS 是一种控制可充电电池(单节或多节电池)的电子电路，旨在最大限度地提高其在能量存储和电池寿命方面的整体性能。BMS 保护电池免受深度放电和过压的影响，这种情况可能是由极快的充电和极高的放电电流引起的。它还在多个电池的情况下提供电池平衡功能，监控电池的健康状况并将电池状态传达给 MCU 等更高级别的系统。所有这些功能都确保了电池中剩余能量的最佳利用。

　　温度是需要仔细监测的关键参数。虽然较高的温度会加强电池内部的化学反应，从而提高性能并增加存储容量，但代价是随着时间的推移，生命周期会缩短。长期在30℃以上，使用寿命降低20%。另一方面，在低温下，电池的内阻会增加，这意味着充电需要更多的努力，这会转化为有效的容量损失。如果没有 BMS 的关键功能，电池将无法得到有效利用，电动汽车的性能也会令人失望。

　　结论

　　电动汽车的好处是无可争议的，因为它们可以帮助加速能源转型和电动汽车，如果大规模使用，可以实现更清洁的环境和脱碳经济。半导体公司迅速做出反应，提供了新的宽带隙功率组件，其采用可大幅提高效率。为了准备改进电池技术，使电动汽车更具吸引力和价格实惠，可以改变游戏规则，还可以使用特定的产品来处理电池组。

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