車用寬能隙半導體的進步
寬能隙（WBG）半導體開關目前已出現在諸多應用領域的功率轉換產品中。成本的降低使其越來越適用於商業產品。而在航空航太領域，其天然的輻射硬度有著巨大優勢。
然而，電動汽車市場在對牽引驅動、車載充電器和DC-DC轉換器應用這項技術方面卻進展緩慢。原因有幾個：行業保守，對技術變革的接受速度比較慢；行業要求器件具有較低的成本和較高的性能及可靠性，能夠適配現有成熟技術；而且，可能出乎很多人的意料，寬能隙器件在電機驅動這項重要應用中會失去其小型磁性器件的優勢。
寬能隙開關能以MHz的頻率運行，從而將DC-DC或AC-DC轉換器變壓器和扼流圈縮小到微型尺寸，但電動汽車（EV）驅動器中的磁力來源是電機本身。這意味著驅動器的開關頻率通常低於10kHz，因此動態損耗非常低，即使採用IGBT技術也不例外。高頻還存在高電磁干擾（EMI）的風險，尤其是在驅動器和電機之間的連接電纜只有幾英尺長的情況下。
“MOSFE比IGBT更好。”有時候，就是這樣。
十年前，Si-MOSFET推動了行業進步，致使其目前在其他功率轉換市場上隨處可見。由於缺乏高頻切換的優勢，低切換頻率下的大功率高電壓電動汽車驅動器基本上把它排除在外了。更令人震驚的是，在這類場景下，MOSFET基於電阻的傳導損耗可能比擁有相同電壓和電流等級的IGBT更糟糕，因為其飽和電壓是固定的。
IGBT與MOSFET的傳導損耗對比
該圖顯示了在超過20A（A點）時，IGBT的傳導損耗低於100 毫歐的MOSFET，但在超過40A（B 點）時，IGBT傳導損耗才會低於50毫歐的MOSFET。寬能隙器件也必須證明其在電動汽車驅動應用中的穩健性。因為高壓瞬變、衝擊、振動和高溫都可能導致失速電機短路。
碳化矽MOSFET可以改變這種情況
然而，隨著最新一代寬能隙器件，尤其是碳化矽（SiC）器件的出現，這種情況正在發生改變。圖1中，100毫歐姆MOSFET的傳導損耗比IGBT低，直到交叉點A為止。目前有了碳化矽MOSFET，這個A點已經錯後了。隨著單位成本的降低，並聯MOSFET來成比例地降低傳導損耗是可行的。兩個並聯的MOSFET實際上可將總傳導損耗降低到原來的二分之一。隨著晶片的產熱量和導通電阻的降低，並聯的IGBT僅會分擔損耗而不會大幅降低損耗。使用碳化矽可在不顯著增加動態損耗的情況下將開關頻率提高，這確實有助於電機的流暢控制，並減少機械磨損。
使用寬能隙器件可以更進一步帶來效益：
- 顯著減少驅動電路所消耗的電能。
- 在IGBT需要額外添加並聯二極體的情況下，碳化矽MOSFET可以用體二極體實現電流“換向”。
- 此外，在雙向能量流方面，MOSFET的能效也遠遠高於IGBT。
- MOSFET在輕負載時的壓降可以非常小，因此在電機控制方面通常優於IGBT。IGBT在開啟時有一個“拐點”電壓，這意味著在任何負載下都會存在壓降，因此在輕負載下也沒有損耗和流暢控制上的優勢。
- IGBT通常使用有損耗的“緩衝器”來吸收開關能量，以防產生破壞性的電壓過沖，而碳化矽器件的開關能量要少得多，因此對於給定的過沖，需要在緩衝器中消耗的能量要少得多，從而體積更小且成本更低。
寬能隙的邊緣速率之快可能令人瞠目
電動汽車領域引入寬能隙器件的另一個障礙實際上是寬能隙器件在其他應用中的一個優勢：即使在低頻下切換，其邊緣速率也可以快到以納秒為單位進行測量（見圖2）。因此，在電機驅動中，必須故意放慢波形，以避免過度的電磁干擾和相互作用導致幻象開啟（phantom turn-on）。當器件在高dV/dt的情況下因為假導通而被擊穿甚至造成損壞時，就會出現這種現象。對於使用寬能隙器件的產品設計，通常基於IGBT設計的舊佈局是不適用的，必須從頭開始設計。
碳化矽MOSFET的典型開關波形
寬能隙器件的邊緣速率非常快，要以納秒為單位進行測量。 寬能隙開關的優勢在電動汽車的車載充電器（OBC）和輔助DC-DC轉換器中更加明顯，其更小的磁性元件尺寸和重量（因此成本也更低）有望帶來更高的能效。某些情況下，碳化矽器件的性能足以使寬能隙開關使用IGBT和矽MOSFET用不了的拓撲結構，例如用於車載充電器的超高效無橋圖騰柱功率因數校正級。現在，使用碳化矽器件來設計車載充電器和DC-DC輔助轉換器已十分普遍，隨著電動汽車行業對這項技術越來越熟悉，該技術有望應用於牽引逆變器中。寬能隙器件在提高系統整體能效方面的優勢愈加顯現，從而形成一個良性迴圈，即更低的損耗可以擴大單次充電里程，並允許使用更小更輕的散熱片，從而進一步減輕車輛負載，繼續增加電動汽車的續航里程。
價格差正在縮小，但碳化矽MOSFET的成本仍然高於IGBT
寬能隙器件可以在電動汽車功率轉換方面帶來足夠的性能優勢，從而顯著增加續航里程，幫助促進電動汽車的銷售，並對環境改善產生深遠影響。然而與任何新技術一樣，使用碳化矽的開關成本一直很高，並且很可能繼續高於具有相同額定電壓和電流值的IGBT。例如，額定電壓600/650V、額定電流值60A的IGBT、矽MOSFET 和碳化矽MOSFET，按目前1,000 件批發價計算，IGBT單價1.42美元，矽MOSFET是5.30美元，碳化矽MOSFET是20美元。但使用碳化矽器件可以在其他地方節省大量成本：散熱更少，緩衝器更小，並聯二極體等附加元件更少。
在車載充電器和DC-DC轉換器應用中，因為磁性元件更小且成本更低，使用碳化矽器件可以節省的成本甚至更多。隨著時間的推移，碳化矽器件的價格將繼續下降，與矽器件之間的價格差將進一步縮小。
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