时带直流能耗制动的星三角降压启动控制线路图

按下SB2，KT线圈、KM3线圈和KM1线圈得电，电动机接成Y形降压启动;KM1得电的同时KT线圈失电。经过整定时间(5S)后，KM3线圈失电，解除Y形连接同时KM2线圈得电，电动机接成△形全压运行。当按下SB1时，KM1和KM2线圈失电解除△全压运行，同时KM3和KM4线圈得电电动机能耗制动;放开SB1，电动机停车和能耗制动结束。

选择适合的器件在电动汽车电路方案中实现高效的PFC设计

如今，越来越多的汽车制造商涉足电动汽车(EV)开发，但是电动汽车的驾程过短却始终是个问题。尽管采用空气动力学设计、更轻质的材料、更高效的功耗等方法确有成效，但这还远远不够。汽车电力电子设计人员还需要使用先进的宽带隙半导体(WBG)材料来满足能效和功率密度要求。

这些材料主要由氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)组成，是对硅(Si)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等现有半导体技术的改进。因而，由这些材料制成的半导体损耗更低、开关频率更快、工作温度更高、击穿电压更高，并且在恶劣环境中更坚固耐用。随着汽车行业转向使用容量更高、充电时间更短、总损耗更低，并且可在高电压下工作的电池，WBG材料变得尤其有用。

本文将简要概述WBG技术及其在汽车EV电子领域发挥的作用。此外，还将介绍由ROHMSemiconductor、STMicroelectronics、Transphorm和InfineonTechnologies推出的GaN和SiC适宜解决方案，并对其应用予以指导。

WBG半导体的优势

带隙是将电子从材料的价带激发跃迁至导带所需的能量，而WBG材料的带隙明显宽于硅（图1）。Si的带隙为1.1eV，而SiC的带隙为3.3eV，GaN则为3.4eV。

相比传统硅半导体，WBG半导体器件可在更高的电压、频率和温度下工作。更重要的是，开关和传导损耗都更低。WBG材料的导通和开关特性约为Si材料的十倍。这些能力促成了WBG技术与电力电子技术的天作之合，特别适用于EV业界，原因在于SiC和GaN元器件的尺寸更小、响应更快、能效更高。

然而，WBG器件虽优势尽显，设计人员却不得不将其与制造的复杂性和大批量生产的高成本进行利弊权衡。尽管WBG元器件的初期成本可能更高昂，但其整体呈下降趋势，并且通常可降低系统总成本。例如，在EV中使用SiC器件可能会额外增加数百美元的前期成本，但由于电池成本和空间要求的降低以及冷却措施的简化（如采用小型散热器或对流冷却），最终降低了总成本。

SiC应用于主逆变器

在EV中控制牵引电机的牵引逆变器是EV关键系统受益于WBG元器件的范例。逆变器的核心功能是将直流电压转换为三相交流波形以驱动EV电机，然后将再生制动产生的交流电压转换回直流电压来为电池充电。由于逆变器将存储在电池组中的能量转换为交流以驱动电机，因而能量转换损失越低，系统能效越高。与硅相比，SiC器件的电导率更大、开关频率更快，从而功耗更低，因为以热量形式损失的能量更少。最终，SiC逆变器能效更高，从而体现为EV的里程更远。

大电流功率模块通常采用IGBT类型，将SiIGBT与Si快速恢复二极管(FRD)相结合，是汽车逆变器模块的常用配置。然而，与现有的SiIGBT器件相比，SiC器件的工作温度更高、开关速度更快。这些功能无疑使其成为是牵引逆变器的最佳选择，因为牵引逆变器需要传输大量能量流入和流出电池。

原因如下：由于IGBT是开关元件，开关速度（导通时间、关断时间）是影响能效（损耗）的关键参数之一。对于IGBT而言，可实现高击穿电压下的低电阻却得以牺牲开关性能为代价；器件关断期间存在“耗散时间”，而这会增加开关损耗。因此IGBT的能效相对较低。若逆变器模块用MOSFET替代IGBT，则可以实现更高的能效，因为MOSFET的关断时间更短、工作频率更高。然而，SiMOSFET也存在问题，其“导通”电阻大于SiIGBT。

SiCMOSFET则充分利用了SiC的有利特性，芯片尺寸几乎只有IGBT的一半，同时具备电源开关的四个理想特性：

高电压

低导通电阻

开关速度快

低开关损耗（特别是关断损耗）

此外，带隙更宽意味着SiC器件一般工作温度范围为150℃至175℃，若封装恰当即可达到200℃或更高。

对于SiC肖特基势垒二极管(SBD)，在SiCSBD中会利用SiC半导体-金属结形成肖特基势垒。但与硅FRD不同，在电流和工作温度范围较宽的情况下，SiCSBD的优势也不会发生显着变化。另外SiC元器件的介电击穿场也是硅器件的十倍。因此，目前额定电压1200V的SiC产品正投入大规模生产，成本相应下降。此外，额定电压1700V的产品正在开发中。

SiC二极管也没有正向和反向恢复损耗，只是少量的电容充电损耗。研究表明，SiCSBD的开关损耗比Si快恢复二极管降低90%，后者的结温会影响恢复电流和恢复时间。因此，与Si二极管相比，SiC二极管的品质因数(FoM)(QcxVf)相当低。FOM较低意味着功耗较低，因而电气性能更出色。

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