董耀文，秦海鴻，付大豐，徐華娟，嚴(yán)仰光

（南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京211106）

寬禁帶器件在電動汽車中的研究和應(yīng)用

董耀文，秦海鴻，付大豐，徐華娟，嚴(yán)仰光

（南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京211106）

硅基電力電子器件經(jīng)過長期的發(fā)展，其性能已經(jīng)逼近其材料極限，很難再大幅提升硅基電力電子裝置的性能。以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體器件比硅器件具有更優(yōu)的器件性能，成為電力電子器件新的研究發(fā)展方向。首先主要介紹了電動汽車對電力電子變換器的要求及寬禁帶器件的發(fā)展，然后對寬禁帶器件在電動汽車中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和展望，最后指出了寬禁帶器件在電動汽車應(yīng)用中面臨的主要問題。

寬禁帶器件；碳化硅；氮化鎵；電動汽車

引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源消耗越來越多，二氧化碳排放量也逐年上升。目前，全球25%的二氧化碳排放來自于汽車。據(jù)相關(guān)報告，截至2030年，全球CO2排放量將增至423億t［1］。因此，發(fā)展電動汽車是實現(xiàn)節(jié)能減排與汽車行業(yè)跨越式發(fā)展的必然措施。

根據(jù)汽車動力來源，電動汽車可分為純電動汽車EV（electric vehicle）、混合電動汽車HEV（hybrid electric vehicle）和燃料電池電動汽車FCEV（fuel cell electric vehicle），其中，純電動汽車和混合電動汽車是目前研究和發(fā)展的主要方向［2］。

汽車電氣化、機(jī)電一體化程度的提高，以及自動冷卻水平較低的限制，要求功率變換器能在更高的環(huán)境溫度下工作。電動汽車中主要單元的極限溫度限制［3］，為電機(jī)120℃，廢氣渦輪增壓機(jī)200℃，節(jié)流閥200℃，變速箱145℃，儀表盤110℃，傳動鏈175℃，車頂復(fù)合板85℃，排氣口650℃，各部分苛刻的工作環(huán)境對開關(guān)器件在高溫工作下的可靠性提出了更高的要求。

隨著功率變換器開關(guān)頻率的提高，功率變換單元中的無源濾波器的體積以及整個變換器的重量和體積也隨之減小。另外，提高電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度可以減小電動機(jī)的體積，提高效率；減少機(jī)械齒輪的使用，使電動機(jī)擁有更精確的動態(tài)特性［4-5］。目前，已有多家德國制造商將電氣控制單元和輔助動力系統(tǒng)中蓄電池的電壓等級提高到了48 V，以滿足高電壓負(fù)載，如空調(diào)系統(tǒng)的要求［6］。在EV和HEV中，由于功率等級不同，電壓等級從100 V到450 V不等。在Toyota公司最新款電動汽車中，電壓等級已經(jīng)超過了600 V。電動汽車中的儲能裝置多采用鋰電池，為了提高電能的利用率，必須提高功率變換器的效率［7］。另外減小變換器的體積，提高變換器在高溫工作下的可靠性也同樣重要。

在純電動汽車和混合電動汽車的動力單元和控制單元中，DC/DC變換器和DC/AC逆變器多采用以硅（Si）為主要半導(dǎo)體材料的IGBT或功率MOSFET作為開關(guān)器件［8］。由于Si器件開關(guān)頻率和導(dǎo)通電阻的限制，Si基功率變換器的發(fā)展已經(jīng)接近了其性能極限。美國能源局制訂了2020年HEV的發(fā)展目標(biāo)：電力電子設(shè)備的功率密度超過14.1 kW/kg，體積小于13.4 kW/L，效率超過98%，價格低于3.3$/kW［10］。這個發(fā)展目標(biāo)對電力電子器件和拓?fù)湫阅?、控制策略、系統(tǒng)集成以及封裝都提出了新的要求和挑戰(zhàn)?；谛滦蛯捊麕О雽?dǎo)體材料的電力電子器件具有更優(yōu)越的性能，目前寬禁帶半導(dǎo)體器件中碳化硅SiC （silicon carbide）和氮化鎵GaN（gallium nitride）電力電子器件均已有商業(yè)化產(chǎn)品，研究寬禁帶器件在電動汽車的應(yīng)用對電動汽車的發(fā)展具有重要意義。

1　寬禁帶器件的特性

硅基電力電子器件經(jīng)過近60年的長足發(fā)展，性能已經(jīng)趨近其理論極限［9］，通過器件原理的創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)的改善及制造工藝的進(jìn)步已經(jīng)難以大幅度提升其總體性能，不能滿足電動汽車中電力電子變換器高溫、高壓、高頻、高效和高功率密度的要求［11］。寬禁帶半導(dǎo)體材料，如SiC、GaN，與傳統(tǒng)硅材料相比具有更優(yōu)越的性能，主要表現(xiàn)在：禁帶寬度大、飽和電子漂移速度高、臨界擊穿電場大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等。圖1給出了寬禁帶半導(dǎo)體材料與硅材料關(guān)鍵特性的對比［12］。因此基于寬禁帶材料制造的電力電子器件具有Si器件無法相比的電氣性能。

（1）導(dǎo)通電阻小。寬禁帶半導(dǎo)體SiC和GaN均具有較高的電子飽和速度（2倍于Si材料），使得SiC和GaN器件具有很低的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通損耗低。

（2）開關(guān)速度快、頻率高。寬禁帶半導(dǎo)體SiC和GaN材料具有較高的電子遷移率，其開關(guān)時間在納秒級別，開關(guān)速度快；關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低，可大大提高實際應(yīng)用的開關(guān)頻率，其中GaN器件的開關(guān)頻率可達(dá)MHz級別。

（3）耐壓高。寬禁帶半導(dǎo)體SiC和GaN材料具有3倍于Si的禁帶寬度，因此具有更高的耐壓能力。

（4）耐高溫性能好。SiC和GaN材料的熱導(dǎo)率均較高，散熱更容易，器件可在更高的環(huán)境溫度下工作，如SiC肖特基二極管的工作結(jié)溫已經(jīng)達(dá)到了361℃［13］。

圖1　Si、SiC和GaN材料特性對比Fig.1　Comparison of material characteristics between Si，SiC and GaN

寬禁帶功率器件的這些性能，可以滿足電動汽車對功率變換器高溫、高壓、高頻、高功率密度等惡劣工作環(huán)境的要求，是目前半導(dǎo)體領(lǐng)域最優(yōu)越的材料。迄今為止，SiC功率開關(guān)器件主要類型有SiC SBDs（肖特基二極管）、SiC BJTs（雙極型晶體管）、SiC JFETs（結(jié)型場效應(yīng)管）、SiC MOSFETs（絕緣柵型場效應(yīng)管）和SiC IGBTs（絕緣柵雙極晶體管），文獻(xiàn)［14］對其進(jìn)行詳細(xì)介紹，本文不再詳細(xì)敘述。其中，SiC SBDs、SiC MOSFETs和SiC JFETs最具市場競爭力，SiC SBDs由于反向恢復(fù)電流較小和成本適中，已經(jīng)在部分電動汽車變換器中得到了應(yīng)用。GaN功率器件主要類型有GaN SBD（肖特基二極管）、GaN PN二極管、GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）和Cascode GaN HEMT（級聯(lián)結(jié)構(gòu)高電子遷移率晶體管）。盡管GaN器件目前尚處于發(fā)展初期，商用增強(qiáng)型GaN HEMT的耐壓目前大都限制在300 V［15］，但其開關(guān)頻率已經(jīng)達(dá)到了MHz級，相信在不久的將來，GaN將憑借其優(yōu)越的性能得到廣泛的應(yīng)用。

2　寬禁帶器件的發(fā)展

2.1碳化硅器件的發(fā)展

早在20世紀(jì)90年代之前，研究人員就已經(jīng)開始了對SiC材料的研究，但直到21世紀(jì)，SiC功率電子器件才進(jìn)入大量生產(chǎn)階段［16］。如今，SiC SBD、SiC JFET和SiC MOSFET已廣泛應(yīng)用于功率變換器場合。同時，各大生產(chǎn)廠商也在加緊對SiC BJT、IGBT、GTO的研究［17］。英飛凌（Infineon）公司在2001年推出首個商業(yè)化的SiC肖特基二極管，拉開了SiC功率器件商業(yè)化的序幕［18］。2010年10月，Gene SiC公司研發(fā)了全球第一款SiC晶閘管，其電壓為6.5 kV，電流為80 A，最高工作結(jié)溫為200℃，最大工作頻率為200 kHz，雖然該晶閘管未投入大量生產(chǎn)，但提供定制服務(wù)［19］。Cree公司在2011年開始大批量生產(chǎn)SiC MOSFET，2012年推出了1200 V/100 A的全SiC功率模塊。隨后，國際上各大半導(dǎo)體器件制造廠商，包括美國的Cree、Genesic、Semisouth、Microsemi、PowerEx、IR、德國的Infineon、歐洲的IXYS、Transic和日本的羅姆（Rohm）、三菱（Mitsbushi）、富士（Fuji）、瑞薩（Renesas）等公司都相繼推出自己的SiC功率器件。圖2給出SiC半導(dǎo)體材料及器件商業(yè)化發(fā)展過程。國內(nèi)外的很多科研機(jī)構(gòu)與高等院校，如美國的GE（general electric）公司、陸軍研究實驗室、北卡羅萊納州立大學(xué)、田納西州立大學(xué)、德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)、瑞士蘇黎世理工學(xué)院和日本關(guān)西電力公司等也在開展SiC功率器件的研究，并積極與半導(dǎo)體制造廠商合作，開發(fā)出了遠(yuǎn)高于商業(yè)化器件水平的實驗室器件樣品。這些都為SiC功率器件的進(jìn)一步發(fā)展和完善奠定了基礎(chǔ)。

圖2　SiC半導(dǎo)體材料及器件的發(fā)展過程Fig.2　Development process of SiCsemiconductor materials and devices

2.2氮化鎵器件的發(fā)展

GaN基功率芯片第一次出現(xiàn)是在2000年，此GaN FET采用射頻標(biāo)準(zhǔn)在SiC襯底上制造完成，其擊穿電壓接近500 V，導(dǎo)通電阻為75 mΩ/mm2，開關(guān)時間僅為5 ns。

2003年，Mehrotra等首次成功研制了 600 V/ 2.5 A的常通型高電子遷移率晶體管（HEMT），但其可靠性較低，未得到廣泛應(yīng)用［20］；次年，第一代常斷型芯片在碳摻雜的GaN晶體管中完成測試［21］；直到2010年，用Si襯底取代SiC襯底才使GaN器件的發(fā)展取得質(zhì)的飛躍，并大大降低了制造成本；同年，采用雙柵極結(jié)構(gòu)制造出具有低導(dǎo)通電阻的常斷型GaN FET［22］，常斷型GaN FET在結(jié)溫200℃的測試條件下工作正常［23］；2013年，在2 kW/500 kHz和430 W/ 1 MHz的硬開關(guān)變換器中引入了GaN HEMT，其效率均達(dá)到了95%以上，功率密度接近11 W/cm3。2014年，一種新型的級聯(lián)結(jié)構(gòu)GaN器件面世，該結(jié)構(gòu)采用低壓Si MOSFET與高壓常通型GaN器件級聯(lián)的方式，將常通型器件改造為常斷型器件［24］，其結(jié)構(gòu)與封裝如圖3所示［25］。

圖3　級聯(lián)結(jié)構(gòu)的GaN HEMTFig.3Cascode GaN HEMT

目前，Efficient Power Conversion（EPC）、Fujitsu、Transphorm以及 GaNSystems公司均有 GaN HEMT器件銷售，其中EPC公司主要生產(chǎn)和銷售增強(qiáng)型GaN器件，其他公司主要生產(chǎn)級聯(lián)結(jié)構(gòu)GaN HEMT。圖4給出了GaN基功率器件的發(fā)展歷程。

圖4　GaN基功率器件的發(fā)展歷程Fig.4　Development process of GaN s devices

3　國內(nèi)外應(yīng)用和研究現(xiàn)狀

3.1寬禁帶器件在電動汽車中的應(yīng)用

在電動汽車中引入寬禁帶器件，需要對每一個電力電子功率單元進(jìn)行新的設(shè)計。

（1）功率交換器：采用寬禁帶器件可以提高功率變換器高溫工作下的可靠性，減小散熱系統(tǒng)的體積。傳統(tǒng)Si基變換器的損耗較大，對冷卻系統(tǒng)的要求較高。圖5為采用傳統(tǒng)Si基半導(dǎo)體器件散熱片體積和采用SiC SBD的小功率EV車載逆變器散熱片體積的對比，由圖可看出，采用 SiC SBD器件散熱片的體積大大減?。?6］。

在電動汽車中，引擎部分需要冷卻系統(tǒng)保持其溫度在105℃，而功率變換器部分則要求冷卻系統(tǒng)使其溫度在70℃左右［27］，為了使兩部分正常工作，必須采用兩套冷卻系統(tǒng)以滿足不同的要求。這大大增加了電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的體積。SiC功率器件工作結(jié)溫已經(jīng)達(dá)到了361℃，GaN器件的工作結(jié)溫也在200℃左右，因此，采用寬禁帶器件構(gòu)成的功率變換器可在更高的環(huán)境溫度下正常工作，可將引擎冷卻系統(tǒng)與功率變換器的系統(tǒng)合二為一，大大減小功率變換器的體積。

圖5　散熱片體積對比Fig.5　Heat-sinks comparison between Si and SiC SBDs

（2）電池充電器：電池充電器是電動汽車中的重要部分，主要由AC/DC變換器和DC/DC變換器構(gòu)成的PFC變換器組成［28］。PFC變換器的工作頻率決定了輸出濾波電感和電容的紋波電壓、紋波電流。采用寬禁帶器件可以顯著提高變換器的工作頻率，從而減小濾波電感和電容的體積，降低電壓、電流紋波，提高電感和電容工作的可靠性。無源元件體積的減小意味著整個變換器體積的減小，功率密度的提高。

文獻(xiàn)［28］采用SiC SBD和SiC DMOSFET設(shè)計了一款車載電池充電器OBC（on-vehicle battery charger），如圖6所示。該充電器前級為PFC Boost變換器，后級為ZVS全橋變換器，兩級所用SiC MOSFET的開關(guān)頻率均為200 kHz，整個OBC的功率高達(dá)3.3 kW，前級Boost變換器的效率為97.7%，整個OBC的效率為94.7%。

圖6　車載電池充電器Fig.6　On-vehicle battery charger

（3）電機(jī)驅(qū)動器：電動汽車中主電機(jī)的驅(qū)動器拓?fù)溆卸喾N，其中最常用的是兩電平三相電壓源型逆變器，如圖7所示。文獻(xiàn)［29］以此拓?fù)錇槔?，對SiC基逆變器與Si基逆變器進(jìn)行了對比研究。仿真結(jié)果證明，采用SiC器件可顯著降低損耗，其中，SiC BJT構(gòu)成的逆變器損耗降低了53%。當(dāng)頻率升高時，損耗還會進(jìn)一步降低，開關(guān)頻率為15 kHz時，SiC BJT逆變器的損耗降低了67%，如圖8所示。

圖7　三相逆變器Fig.7　Three-phase inverter

圖8　不同頻率損耗對比Fig.8　Power loss of SiC and Si devices with increasing switching frequency

3.2寬禁帶器件主要研究內(nèi)容

寬禁帶器件在電動汽車中的研究主要集中在以下3個方面。

（1）性能研究。目前，許多研究都集中在通過仿真和實驗分析SiC和GaN器件在動態(tài)特性、損耗以及高溫方面給功率變換器帶來的性能改善。文獻(xiàn)［30］分別建立了Si器件和SiC器件在混合電動汽車牽引逆變器中的損耗和熱模型，并進(jìn)行了對比分析，指出采用SiC器件可將損耗降低70%；文獻(xiàn)［31］研究了一臺采用SiC JFET和SiC SBD的25 kVA風(fēng)冷逆變器，功率密度達(dá)到了70 kVA/L，在驅(qū)動一臺15 kW的電機(jī)時效率達(dá)到了98.8%，而結(jié)溫僅為90℃；文獻(xiàn)［32］研究了采用GaN HEMT和Si IGBT電機(jī)驅(qū)動逆變器的效率，其對比結(jié)果表明，無論是在輕載還是重載狀況下，采用GaN HEMT均能改善逆變器的效率。

《水利工程供水價格管理辦法》第九條規(guī)定：利用貸款、債券建設(shè)的水利供水工程，供水價格應(yīng)使供水經(jīng)營者在經(jīng)營期內(nèi)具備補償成本、費用和償還貸款、債券本息的能力并獲得合理的利潤。第十條規(guī)定：非農(nóng)業(yè)用水價格在補償供水生產(chǎn)成本、費用和依法計稅的基礎(chǔ)上，按供水凈資產(chǎn)計提利潤，利潤率按國內(nèi)商業(yè)銀行長期貸款利率加2～3個百分點確定。南水北調(diào)工程的供水對象基本是非農(nóng)業(yè)用水。按規(guī)定，利潤率應(yīng)為凈資產(chǎn)的8%～10%。

（2）新型逆變器拓?fù)溲芯?。在電動汽車?qū)動逆變器中使用寬禁帶器件可提高逆變器的開關(guān)頻率，進(jìn)一步改善電動汽車的效率。為了適應(yīng)新器件帶來的優(yōu)勢，研究人員提出了新型逆變器拓?fù)?。最先被提出的方法是在逆變器每相輸出端增加一個電感，文獻(xiàn)［33］采用此方法在Si IGBT的15 kHz和GaN HEMT的100 kHz逆變器中進(jìn)行了對比研究，其研究結(jié)果證明采用GaN器件顯著改善了輸出波形，且將逆變器的效率提高了8%。為了將升壓變換器和逆變器合成為一個拓?fù)?，并輸出正弦波，同時減小器件應(yīng)力，研究人員提出了Z源網(wǎng)絡(luò)逆變器（ZSI）［34-35］。ZSI理論是建立在晶體管開關(guān)轉(zhuǎn)換過程基礎(chǔ)上，采用寬禁帶器件可以在大電流時減小開關(guān)損耗，同時減小器件所受電壓、電流應(yīng)力，增加電子器件的使用壽命。

（3）高速驅(qū)動電路研究。寬禁帶SiC和GaN器件為功率變換器提供了更高的開關(guān)頻率，為了實現(xiàn)其在更短時間內(nèi)有效的開關(guān)，必須設(shè)計適用于寬禁帶器件的高速驅(qū)動電路。高速驅(qū)動電路要求主要包括：①柵極驅(qū)動電路能夠快速地注入/釋放柵極電荷，降低功率管的開關(guān)時間；②柵極驅(qū)動電路在高頻開關(guān)下的dv/dt和di/dt要小，避免電壓、電流的振蕩引起功率管的誤導(dǎo)通；③驅(qū)動損耗要小，為了使功率管的導(dǎo)通電阻維持在最小值，柵極驅(qū)動電路常使柵極維持一定的電壓和電流，因此必須降低驅(qū)動電路的損耗。文獻(xiàn)［36］對適用于SiC器件的驅(qū)動電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹，GaN器件比SiC器件的開關(guān)頻率更高，對驅(qū)動電路的要求也更高；文獻(xiàn)［37］設(shè)計了一種適用于GaN晶體管的高速驅(qū)動電路，如圖9所示，該驅(qū)動電路在開關(guān)頻率為7 MHz時仍可保持柵極電壓平穩(wěn)，不僅提高了驅(qū)動電路的穩(wěn)定性和可靠性，還減小了反向恢復(fù)帶來的損耗。

圖9　GaN高速驅(qū)動電路Fig.9　Gate drive structure of GaN power transistors

3.3面臨的挑戰(zhàn)

盡管寬禁帶器件在電動汽車電力系統(tǒng)中具有顯著的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景，但其發(fā)展道路上還存在諸多挑戰(zhàn)。

（1）電磁干擾與電磁兼容。電動汽車中的電力電子裝置是電動汽車中最主要的電磁干擾源，雖然提高功率變換器的開關(guān)頻率可以提高效率和功率密度，但也會帶來更多的電磁干擾。電動汽車內(nèi)有大量對電磁噪聲敏感的設(shè)備，不合理的電磁兼容設(shè)計會對其他車載電子設(shè)備造成干擾，甚至導(dǎo)致其誤動作，給電動汽車帶來較大的安全隱患。

SiC功率器件的高開關(guān)速度導(dǎo)致逆變器開關(guān)瞬態(tài)的dv/dt和di/dt很高，產(chǎn)生的高頻噪聲比Si基電機(jī)驅(qū)動器高20 dB［38］。由于開關(guān)頻率的增加，逆變器中的諧波頻率也會增加。在Si基電機(jī)驅(qū)動器中回路寄生參數(shù)可以忽略，但采用寬禁帶器件之后，必須考慮回路寄生參數(shù)對電磁干擾EMI（electromagnetic interfereme）的影響。高開關(guān)速度產(chǎn)生的高dv/dt和di/dt會使逆變器回路中產(chǎn)生振蕩和過壓，另外，高頻振蕩與高dv/dt會產(chǎn)生潛在的擊穿和故障可能。由于開關(guān)頻率的增加，寬禁帶器件電機(jī)驅(qū)動器的EMI濾波器必須考慮濾波器寄生參數(shù)對濾波性能的影響，不能以理想LC濾波器來設(shè)計。因此，必須研究寬禁帶器件高頻開關(guān)帶來的電磁干擾，并針對干擾源與傳播路徑尋求解決辦法，提高電動汽車的電磁兼容性能。

（2）高頻磁性材料與磁性元件。提高功率變換器的開關(guān)頻率可以縮小磁性元件的體積，但高頻下的磁性元件會表現(xiàn)出其他問題。首先，提高開關(guān)頻率會增大磁芯的鐵損，使功率變換器效率降低，必要時可選擇無磁芯電感，如文獻(xiàn)［39］采用無磁芯電感使整個同步整流Buck變換器的效率提高了3%；其次，由于開關(guān)頻率的提高，在低頻下可以忽略的某些寄生參數(shù)，在高頻下將對電路某些性能 （磁性元件的漏感和分布電容等）產(chǎn)生重要影響，因此要研究低寄生電容電感的設(shè)計。另外，對于GaN器件而言，當(dāng)開關(guān)頻率提高到3 MHz以上時，幾乎沒有可供選擇的磁性材料，因此，磁性材料開發(fā)也應(yīng)予以重視［40］。高頻磁技術(shù)理論作為學(xué)科前沿問題，如磁心損耗的數(shù)學(xué)建模，磁滯回線的仿真建模，高頻磁元件的計算機(jī)仿真建模等，需要受到研究人員的重視。

（4）器件并聯(lián)擴(kuò)容。因受到晶圓生長和制造工藝的限制，現(xiàn)有商用SiC和GaN器件的電壓電流定額仍相對較低，不能滿足于電動汽車大容量系統(tǒng)的需求，因此需要采用單管器件或者管芯并聯(lián)的擴(kuò)容方法以擴(kuò)大功率器件的電流處理能力［43］。由于工藝水平的限制，不同器件在導(dǎo)通電阻、開啟閾值電壓、寄生元件等參數(shù)上存在較大的參數(shù)分散性，會引起并聯(lián)器件均流問題。因此，除了需要設(shè)計合適的驅(qū)動電路使并聯(lián)器件開關(guān)同步外，還需要特別注意并聯(lián)器件的動態(tài)均流問題。

4　結(jié)語

電動汽車的發(fā)展對電動汽車中功率變換器提出了更高的要求，寬禁帶半導(dǎo)體器件因具有更低的導(dǎo)通電阻、更高的開關(guān)頻率、更高的耐壓以及更好的耐高溫性能，非常適合應(yīng)用于電動汽車中。本文主要介紹了寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展和寬禁帶半導(dǎo)體在電動汽車中的研究與應(yīng)用，最后提出了寬禁帶器件在電動汽車應(yīng)用中仍需面對的挑戰(zhàn)。

［1］吳海雷，陳彤.碳化硅功率器件與新能源汽車［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2014，10（6）：34-37. Wu Hailei，Chen Tong.Silicon carbide power devices and new energy vehicles［J］.Advanced Materials Industry，2014，10（6）：34-37（in Chinese）.

［2］王學(xué)梅.寬禁帶碳化硅功率器件在電動汽車中的研究與應(yīng)用［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，34（3）：371-379. Wang Xuemei.Researches and applications of wide bandgap SiC power devices in electric vehicles［J］.Proceedings of the CSEE，2014，34（3）：371-379（in Chinese）.

［3］ZVEI Robustness Validation Working Group.Handbook for Robustness Validation of Automotive Electrical/Electronic Modules［M］.2nd edition.Frankfurt：Zentralverband Elektrotechnik-und Elektronikindustrie，2013.

［4］Bumby J，Crossland S，Carter J.Electrically assisted turbochargers：Their potential for energy recovery［C］.Hybrid Vehicle Conference，Iet the Institution of Engineering and Technology，Coventry，2006：43-52.

［5］Zhang Yanxu，Yan Xiaobin，Zhang Zheng.With the electrical properties of a new turbocharger［C］.Mechanic Automation and Control Engineering（MACE），2010 International Conference，2010：3465-3468.

［6］Walz J.Smarte hybridisierung mit 48V-niedervolt system ［Z］.Romania：Schaeffler，2014.

［7］Freidrich R.Das 48 Bordnetz.Pflicht oder Kür［Z］.München：BMW Group，2013.

［8］Letellier A，Dubois M R，Trovao J P，et al.Gallium nitride semiconductors in power electronics for electric vehicles：advantages and challenges［C］.Vehicle Power and Propulsion Conference（VPPC），Montreal，Quebec，2015：1-6.

［9］胡光鋮，陳敏，陳燁楠，等.基于SiC MOSFET戶用光伏逆變器的效率分析［J］.電源學(xué)報，2014，12（6）：53-58，92. Hu Guangcheng，Chen Min，Chen Yenan，et al.Efficiency Analysis of Household PV Inverter Based on SiC MOSFET ［J］.Journal of Power Supply，2014，12（6）：53-58，92（in Chinese）.

［10］Ozpineci B.EV everywhere grand challenge-power electronics and thermal management breakout section［EB］. Washington DC：U.S.Department of Energy，2012.

［11］Ye H，Yang Y，Emadi A.Traction inverters in hybrid electric vehicles［C］.Transportation Electrification Conference and Expo，Dearborn，USA，2012：1-6.

［12］Millan J，Godignon P，Perpina X，et al.A survey of wide bandgap power semiconductor devices［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29（5）：2155-2163.

［13］Hamada K.Silicon Carbide：Power Devices and Sensors，Volume 2［M］//Chapter 1：Present status and future prospects for electronics in electric vehicles/hybrid electric vehicles and expectations for wide-bandgap semiconductor devices. Weinheim：Wiley-VCH Press，2009.

［14］盛況，郭清，張軍明，等.碳化硅電力電子器件在電力系統(tǒng)的應(yīng)用展望［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2012，32（30）：1-7. Sheng Kuang，Guo Qing，Zhang Junming，et al.Development and prospect of SiC power devices in power grid［J］. Proceedings of the CSEE，2012，32（30）：1-7（in Chinese）.

［15］Lidow A，Strydom J.Gallium Nitride Technology Overview ［EB］.El Segundo：Efficient Power Conversion Corporation. ［2016-03-20］.http：//epc-co.com.

［16］Takasu H.Silicon carbide devices open a new era of powerelectronics，VLSI Design［C］.2012 International Sym-posium on Automation and Test（VLSI-DAT），2012：1-2.

［17］Grider D.SiC power devices/materials［C］.NIST High Megawatt Workshop，Maryland，USA，2012.

［18］朱梓悅，秦海鴻，董耀文，等.寬禁帶半導(dǎo)體器件研究現(xiàn)狀與展望［J］.電氣工程學(xué)報，2016，11（1）：1-11. Zhu Ziyue，Qin Haihong，Dong Yaowen，et al.Research on wide-bandgap power devices：current status and future forecasts［J］.Journal of Electrical Engineering，2016，11（1）：1-11（in Chinese）.

［19］Sundaresan S，Jeliazkov S，Issa H，et al.Multi-kHz，Ultra-High Voltage Silicon Carbide Thyristors sampled to US Researcher［EB］.Dulles：GenSiC Semiconductor.［20160320］. http：//www.genesicsemi.com/press-releases/11-01-10/.

［20］Zhang Naiqian，Mehrotra V，Chandrasekaran S，et al.Large area GaN HEMT power devices for power electronic applications：switching and temperature characteristics［C］.Power Electronics Specialist Conference，2003（1）：233-237.

［21］Ikeda N，Li Jiang，Yoshida S.Normally-off operation power AlGaN/GaN HFET［C］.Power Semiconductor Devices and ICs，2004，Proceedings ISPSD’04，The 16th International Symposium on，2004：369-372.

［22］Lu B，Piedra D，Palacios T.GaN power electronics［C］. Advanced Semiconductor Devices&Microsystems（ASDAM），2010 8th International Conference on，Smolenice，2010：105-110.

［23］Chu R，Brown D，Zehnder D，et al.Normally-off GaN-on-Si metal-insulator-semiconductor field-effect transistor with 600-V blocking capability at 200℃［C］.Power Semiconductor Devices and ICs（ISPSD），2012 24th International Symposium on，Bruges，2012：237-240.

［24］Hirose T，Imai M，Joshin K，et al.Dynamic performances of GaN-HEMT on Si in cascode configuration［C］.Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC），2014 Twenty-Ninth Annual IEEE，F(xiàn)ort Worth，TX，2014：174-181.

［25］Liu Zhengyang，Huang Xiucheng，Lee F C，et al.Package parasitic inductance extraction and simulation model development for the high-voltage cascode GaN HEMT［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29（4）：1977-1985.

［26］Zhao Bin，Qin Haihong，Wen Jiaopu，et al.Characteristics，applications and challenges of SiC power devices for future power electronic system［C］.International Conference on Power Electronics and Motion Control.Harbin，China：IEEE，2012：23-29.

［27］Stefanskyi A，Starzak L，Napieralski A.Silicon carbide power electronics for electric vehicles［C］.2015 Tenth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies（EVER），Monte Carlo，2015：1-9.

［28］Han T J，Preston J，Jang S J，et al.A high density 3.3 kW isolated on-vehicle battery charger using SiC SBDs and SiC DMOSFETs［C］.Transportation Electrification Conference and Expo（ITEC），2014 IEEE，Dearborn，MI，2014：1-5.

［29］Shang F，Arribas A P，Krishnamurthy M.A comprehensive evaluation of SiC devices in traction applications［C］. Transportation Electrification Conference and Expo（ITEC），2014 IEEE，Dearborn，MI，2014：1-5.

［30］Zhang H，Tolbert L M，Ozpineci B.Impact of SiC devices on hybrid electric and plug-in hybrid electric vehicles［J］. IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47（2）：912-921.

［31］Murakami Y，Tajima Y，Tanimoto S.Air-cooled full-SiC high power density inverter unit［C］.Electric Vehicle Symposium and Exhibition（EVS27），2013 World，Barcelona，2013：1-4.

［32］Shirabe K，Swamy M M，Kang J K，et al.Efficiency comparison between Si-IGBT-based drive and GaN-based drive ［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2014，50 （1）：566-572.

［33］Wu Yifeng.GaN Offers Advantages to Future HEV［R］// The Applied Power Electronics Conference and Exposition，2013.

［34］Shen Miaosen，Joseph Alan，Wang Jin，et al.Comparison of traditional inverters and Z-source inverter for fuel cell vehicles［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（4）：1453-1463.

［35］周玉棟，許海平，曾莉莉，等.電動汽車雙向阻抗源逆變器控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2009，29（36）：101-107. Zhou Yudong，Xu Haiping，Zeng Lili，et al.Control system of Bi-directional Z-source inverter for electrical vehicles ［J］.Proceedings of the CSEE，2009，29（36）：101-107（in Chinese）.

［36］Peftitsis D，Rabkowski J.Gate and base drivers for siliconcarbide power transistors：an overview［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2016，31（10）：7194-7213.

［37］Dong Zhou，Zhang Zhiliang，Ren Xiaoyong，et al.A gate drive circuit with mid-level voltage for GaN transistors in a 7-MHz isolated resonant converter［C］.Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC），2015 IEEE. Charlotte，NC，2015：731-736.

［38］Gong Xun，F(xiàn)erreira J A.Comparison and reduction of conducted EMI in SiC JFET and Si IGBT-based motor drives［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29 （4）：1757-1767.

［39］Lee W，Han D，Morris C，et al.Minimizing switching losses in high switching frequency GaN-based synchronous buck converter with zero-voltage resonant-transition switching［C］. Power Electronics and ECCE Asia（ICPE-ECCE Asia），2015 9th International Conference on，Seoul，2015：233-239.

［40］Lidow A，Strydom J，Rooij M D，et al.GaN Transistors for Efficient Power Conversion［M］.California：El Segundo：Foreword.

［41］王建岡.集成電力電子模塊封裝技術(shù)的研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2006. Wang Jiangang.Study of Technologies of Integrated Power Electronics Module［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2006（in Chinese）.

［42］Nee H P，Rabkowski J，Peftitsis D.Multi-chip circuit design for silicon carbide power electronics［C］.Proceedings of International Conference on Integrated Power Systems，2014：1-10.

Research and Application of Wide Bandgap Devices in Electric Vehicles

DONG Yaowen，QIN Haihong，F(xiàn)U Dafeng，XU Huajuan，YAN Yangguang
（College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

After a long period of development，power devices based on silicon material exhibit some unavoidable physical limitations which limit the improvement of performance of silicon based power converters.Power electronics devices based on silicon carbide and gallium nitride present more promising performance as a consequence of their outstanding properties and represent the new development trend of power electronic devices.First，the requirement of the power electronic converters are introduced in electric vehicles this paper，and the development of wide band gap device. Then，the research status of wide band gap devices in electric vehicles was analyzed and prospected.Finally，the main problems of wide bandgap devices in the application of electric vehicles are pointed out.

wide bandgap devices；silicon carbide；gallium nitride；electric vehicle

董耀文

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.119

TM 92

A

2016-04-12 基金項目：教育部博士點基金資助項目（20123218120017）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目（NS2015039，NJ20160047）；國家自然科學(xué)基金資助項目（51277095）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目 Project Supported by Ph.D.Programs Foundation of Ministry of Education of China（20123218120017）；the Fundamental Research Funds for the Central Universities（NS2015039，NJ2016 0047）；the National Natural Science Foundation of China（512 77095）；A Project Funded by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions

董耀文（1994-），男，通信作者，本科，研究方向：氮化鎵功率器件應(yīng)用技術(shù)，E-mail：dongyaowennuaa@qq.com。

秦海鴻（1977-），男，博士，副教授，研究方向：寬禁帶功率器件應(yīng)用技術(shù)、功率變換技術(shù)、電機(jī)控制，E-mail：qinhaihong@nu aa.edu.cn。

付大豐（1975-），男，博士，副教授，研究方向：電力電子與電力傳動，E-mail：fdf_ nuaa@nuaa.edu.cn。

徐華娟（1986-），女，博士，助理實驗師，研究方向：智能電網(wǎng)，E-mail：xuhuajuan @nuaa.edu.cn。

嚴(yán)仰光（1935-），男，博士，教授，研究方向：電力電子與電力傳動，E-mail：yanya ngguang@nuaa.edu.cn。