车用宽带隙半导体正在前进
宽带隙（WBG）半导体开关目前已出现在诸多应用领域的功率转换产品中。成本的降低使其越来越适用于商业产品。而在航空航天领域，其天然的辐射硬度有着巨大优势。
然而，电动汽车市场在对牵引驱动、车载充电器和DC-DC转换器应用这项技术方面却进展缓慢。原因有几个：行业保守，对技术变革的接受速度比较慢；行业要求器件具有较低的成本和较高的性能及可靠性，能够适配现有成熟技术；而且，可能出乎很多人的意料，宽带隙器件在电机驱动这项重要应用中会失去其小型磁性器件的优势。
宽带隙开关能以MHz的频率运行，从而将DC-DC或AC-DC转换器变压器和扼流圈缩小到微型尺寸，但电动汽车（EV）驱动器中的磁力来源是电机本身。这意味着驱动器的开关频率通常低于10kHz，因此动态损耗非常低，即使采用IGBT技术也不例外。高频还存在高电磁干扰（EMI）的风险，尤其是在驱动器和电机之间的连接电缆只有几英尺长的情况下。
“MOSFET比IGBT更好。”有时候，就是这样。
十年前，硅MOSFET推动了行业进步，致使其目前在其他功率转换市场上随处可见。由于缺乏高频切换的优势，低切换频率下的大功率高电压电动汽车驱动器基本上把它排除在外了。更令人震惊的是，在这类场景下，MOSFET基于电阻的传导损耗可能比拥有相同电压和电流等级的IGBT更糟糕，因为其饱和电压是固定的。
IGBT与MOSFET的传导损耗对比
该图显示了在超过20A（A点）时，IGBT的传导损耗低于100 毫欧的MOSFET，但在超过40A（B 点）时，IGBT传导损耗才会低于50毫欧的MOSFET。宽带隙器件也必须证明其在电动汽车驱动应用中的稳健性。因为高压瞬变、冲击、振动和高温都可能导致失速电机短路。
碳化硅MOSFET可以改变这种情况
然而，随着最新一代宽带隙器件，尤其是碳化硅（SiC）器件的出现，这种情况正在发生改变。图1中，100毫欧姆MOSFET的传导损耗比IGBT低，直到交叉点A为止。目前有了碳化硅MOSFET，这个A点已经错后了。随着单位成本的降低，并联MOSFET来成比例地降低传导损耗是可行的。两个并联的MOSFET实际上可将总传导损耗降低到原来的二分之一。随着芯片的产热量和导通电阻的降低，并联的IGBT仅会分担损耗而不会大幅降低损耗。使用碳化硅可在不显著增加动态损耗的情况下将开关频率提高，这确实有助于电机的流畅控制，并减少机械磨损。
使用宽带隙器件可以更进一步带来效益：
- 显著减少驱动电路所消耗的电能。
- 在IGBT需要额外添加并联二极管的情况下，碳化硅MOSFET可以用体二极管实现电流“换向”。
- 此外，在双向能量流方面，MOSFET的能效也远远高于IGBT。
- MOSFET在轻负载时的压降可以非常小，因此在电机控制方面通常优于IGBT。IGBT在开启时有一个“拐点”电压，这意味着在任何负载下都会存在压降，因此在轻负载下也没有损耗和流畅控制上的优势。
- IGBT通常使用有损耗的“缓冲器”来吸收开关能量，以防产生破坏性的电压过冲，而碳化硅器件的开关能量要少得多，因此对于给定的过冲，需要在缓冲器中消耗的能量要少得多，从而体积更小且成本更低。
宽带隙的边缘速率之快可能令人瞠目
电动汽车领域引入宽带隙器件的另一个障碍实际上是宽带隙器件在其他应用中的一个优势：即使在低频下切换，其边缘速率也可以快到以纳秒为单位进行测量（见图2）。因此，在电机驱动中，必须故意放慢波形，以避免过度的电磁干扰和相互作用导致幻象开启（phantom turn-on）。当器件在高dV/dt的情况下因为假导通而被击穿甚至造成损坏时，就会出现这种现象。对于使用宽带隙器件的产品设计，通常基于IGBT设计的旧布局是不适用的，必须从头开始设计。
碳化硅MOSFET的典型开关波形
WBG device edge-rates can be phenomenally fast, measured in nano seconds.宽带隙开关的优势在电动汽车的车载充电器（OBC）和辅助DC-DC转换器中更加明显，其更小的磁性元件尺寸和重量（因此成本也更低）有望带来更高的能效。某些情况下，碳化硅器件的性能足以使宽带隙开关使用IGBT和硅MOSFET用不了的拓扑结构，例如用于车载充电器的超高效无桥图腾柱功率因数校正级。现在，使用碳化硅器件来设计车载充电器和DC-DC辅助转换器已十分普遍，随着电动汽车行业对这项技术越来越熟悉，该技术有望应用于牵引逆变器中。宽带隙器件在提高系统整体能效方面的优势愈加显现，从而形成一个良性循环，即更低的损耗可以扩大单次充电里程，并允许使用更小更轻的散热片，从而进一步减轻车辆负载，继续增加电动汽车的续航里程。
价格差正在缩小，但碳化硅MOSFET的成本仍然高于IGBT
宽带隙器件可以在电动汽车功率转换方面带来足够的性能优势，从而显著增加续航里程，帮助促进电动汽车的销售，并对环境改善产生深远影响。然而与任何新技术一样，使用碳化硅的开关成本一直很高，并且很可能继续高于具有相同额定电压和电流值的IGBT。例如，额定电压600/650V、额定电流值60A的IGBT、硅MOSFET 和碳化硅MOSFET，按目前1,000 件批发价计算，IGBT单价1.42美元，硅MOSFET是5.30美元，碳化硅MOSFET是20美元。但使用碳化硅器件可以在其他地方节省大量成本：散热更少，缓冲器更小，并联二极管等附加元件更少。
在车载充电器和DC-DC转换器应用中，因为磁性元件更小且成本更低，使用碳化硅器件可以节省的成本甚至更多。随着时间的推移，碳化硅器件的价格将继续下降，与硅器件之间的价格差将进一步缩小。
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