世界各地幾乎所有的政府/機(jī)構(gòu)都承諾要減少溫室氣體的排放。在所有這些承諾中，也許歐盟（EU）所做的最雄心勃勃，該組織已確定了到2050年將排放水平降低80％的目標(biāo)。為達(dá)成這一目標(biāo)，汽車行業(yè)將需要大量節(jié)能。美國也通過公司平均燃油經(jīng)濟(jì)性（CAFE）標(biāo)準(zhǔn)做出對于降低排放的承諾，當(dāng)然這些標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)還在被現(xiàn)政府審查。如果歐盟和美國繼續(xù)保持這種目前的態(tài)勢，汽車制造商將面臨巨大的壓力，需要竭盡全力實(shí)現(xiàn)更高的燃油經(jīng)濟(jì)性。
這只是短期策略，從長遠(yuǎn)來看，將需要采用更多的電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）以便能夠達(dá)成現(xiàn)有的目標(biāo)。彭博新能源金融（Bloomberg New Energy Finance）研究發(fā)現(xiàn)，到2040年，全球電動汽車的出貨量將達(dá)到約4100萬輛，占汽車總出貨量的35％，這與當(dāng)今電動汽車的出貨量相比大幅增加。目前全球只有兩個國家的電動汽車市場占有率較高：挪威為20％，荷蘭為10％左右。其他大多數(shù)主要領(lǐng)先國家的電動汽車市場占有率均低于1.5％，這些主要的經(jīng)濟(jì)體包括美國、德國、中國、法國、日本和英國。
為了提升電動汽車比較低的市場占有率，電動汽車采用的技術(shù)必須要實(shí)現(xiàn)重大變革。目前，電動汽車比相同級別的內(nèi)燃機(jī)式發(fā)動機(jī)汽車更加昂貴，這阻礙了潛在的買家。成本較高的原因主要在于于電動汽車中的功率逆變器和電能存儲設(shè)備。除了成本之外，電動汽車還有其他便利性方面的缺陷使其甘拜傳統(tǒng)汽車下風(fēng)，例如充滿一次電所能行駛的距離以及充電過程所需的時間。成本和便利性方面的問題都?xì)w結(jié)于功率電子。
如果要電動汽車實(shí)現(xiàn)更高的效率，必須采用體積更小、更便宜的逆變器，這也將使汽車行駛更遠(yuǎn)的距離。針對這些問題可能已經(jīng)有相應(yīng)的解決方案。氮化鎵（GaN）或碳化硅（SiC）等器件的寬帶隙技術(shù)（wide bandgap）可以最大限度地降低硅器件固有的功率損耗，這些材料具有比硅器件更高的電子遷移率和更低的RDS（on），兩種材料還具備更高的開關(guān)速率和更高的擊穿電壓。
采用這些材料來提高總體功率效率還具有其他優(yōu)勢，特別是在熱管理方面。較低的散熱量降低了對散熱部件的需求，從而降低了相關(guān)的物料清單（BOM）成本，而占用的空間也更小。
GaN Systems公司基于氮化鎵（GaN）的GS6650x系列晶體管即是能夠提供上述優(yōu)勢的一個很好的例證。該系列產(chǎn)品專為電動汽車應(yīng)用中的更高電壓（高達(dá)650V）系統(tǒng)而設(shè)計，并且采用了該公司專有的Island Technology技術(shù)，可在芯片上垂直地汲取電流，不再需要總線，從而節(jié)省更多空間和重量。這種技術(shù)還可以降低電感損耗，達(dá)到較高的品質(zhì)因數(shù)（FoM），從而降低了對飽和電壓和開關(guān)損耗進(jìn)行權(quán)衡的需求。該系列器件采用GANPX?封裝，在保持較小封裝尺寸的同時，也使電感和熱阻最小化。
這種技術(shù)的另一個很好的例證是松下的X-GaN?功率晶體管系列。這些晶體管的擊穿電壓也高達(dá)600V以上，而且外形小巧，運(yùn)行所需的無源元件數(shù)量極少。
圖1：用于混合動力/電動汽車設(shè)計的GaN Systems公司的GS6650x系列氮化鎵晶體管。
圖2：傳統(tǒng)基于MOS的硅晶體管與松下X-GaN?器件的比較。
另一家公司GeneSiC則專注于碳化硅（SiC）技術(shù)，其GA100SIC系列高級IGBT能夠提供低損耗運(yùn)行。具備這種能力的一個原因是，GeneSiC公司已投資開發(fā)用基于SiC的肖特基整流器來取代通常的硅基續(xù)流二極管（freewheeling diode），因此大大提高了開關(guān)性能。希望通過這些例子能夠闡述SiC和GaN技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展，在電動汽車系統(tǒng)設(shè)計人員實(shí)施未來幾代的功率逆變器設(shè)計時，這些例證也能夠?yàn)樗麄兲峁┓浅＞哂懈偁幜Φ膬?yōu)勢。
由于能夠增大電動汽車的行駛距離，減少充電時間，采用碳化硅和氮化鎵技術(shù)制造的元件注定會激發(fā)電動汽車市場的潛力。這些元件能夠輕松支持更高電壓，并具有更快的開關(guān)速度，能夠?yàn)闃?gòu)建未來幾代混合動力/電動汽車動力系統(tǒng)提供一個強(qiáng)有力的平臺。總之，寬帶隙化合物已經(jīng)顯示出巨大的潛在優(yōu)勢，能夠幫助汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)國際立法機(jī)構(gòu)設(shè)定的雄心勃勃的目標(biāo)。