宽带隙半导体技术在汽车应用场景中发挥的作用

更大的带隙使得 WBG 半导体全然有别于传统半导体或“传统硅”。这里的带隙是指价带顶部和导带底部之间的能量差，它使得 WBG 半导体功率器件能够在更高的电压、温度和频率下工作，这得益于对新兴非硅材料的使用。

WBG 电力电子 (PE) 是 PE 行业中一个规模尚小但是不断增长的分支领域。WBG PE 设备用于转换、控制和处理电能。因为 WBG 半导体功率器件允许更有效地生产、传输和消耗能源，因此非常适合汽车领域的许多应用场景。

注意带隙…和材料

硅等典型半导体材料的带隙范围为 1 - 1.5 电子伏 (eV)，而 WBG 半导体的带隙范围更大，为 2 - 4 eV。本质上，带隙越宽越好，因为 WBG 半导体可以在比传统硅在更高的最高温度下工作，这一特点在汽车应用场景中十分宝贵。

按照物理学家给出的定义，材料的带隙是指导带最低未占据状态和价带最高占据状态两者之间的能量差，当被施加的能量激发时，电子会从电子轨道的价带跃迁到导带。电子从价带移动到导带所需的能量由上面所说的带隙决定。

除了带隙本身以外，WBG 半导体使用的材料也和传统半导体所使用的不同。最常见的是氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC)。预计到 2032 年，这一技术领域的市场规模将会突破 6,900 万美元。

氮化镓的带隙为 3.2 eV，而碳化硅的带隙则为 3.4 eV，两种材料都比硅大约要高出三倍。由于氮化镓和碳化硅的带隙更大，它们比传统硅能支持更高的电压和频率，但两者也不尽相同；这些因素影响它们的工作方式和使用案例，包括汽车应用场景。

两者之间最显著的区别是其速度，即电子在半导体材料中的移动速度。氮化镓的“电子移动性”比硅快 30%，为 2000 cm2/Vs，而碳化硅的为 650 cm2/Vs。氮化镓的电子移动性更强，更适合要求高性能和高频的应用场景，而碳化硅的热导率更高且工作频率更低，更适合高功率的应用场景。

基于上述原因，氮化镓半导体非常适合千兆赫范围内开关的 RF 设备使用，而碳化硅则适于电动车和数据中心、一些太阳能设计、铁路牵引、风力涡轮机、电网配电，以及工业和医疗成像等场景，这些场景往往需要使用更高的电压和更出色的散热。

随着主流硅技术在越来越多的现有和新兴应用场景中开始达到性能极限，氮化镓和碳化硅在汽车应用场景中使用时突显出多种优势。

WBG 半导体在汽车行业大放光彩

WBG 半导体的整体优势在于，可以承受更高的电场和电压，并能以更高的开关频率工作，从而提高性能。此外，它们还能承受比传统硅更高的最高温度。

WBG 技术也可以更小，因为开关速度更快，能量以更小的数据包传输，这意味着电路中的无源和电感设备必须存储更少的能量。对汽车而言，更小即是更好，特别是能够同时提高功率和能效时；车重减轻既能减少碳排放，还能更省油。对于电动车来说尤其如此：不仅汽车内部大量应用氮化镓和碳化硅，在充电基础设施方面也有许多应用场景。

由于支持更小、更高效、成本更低的供电系统，氮化镓能够为汽车电动化的多个关键领域提供支持：小型化、轻量化、电池、更强的充电性能，以及更长的纯电续航里程。此外，氮化镓还支持无线电源应用和自动驾驶汽车功能。

电动车充电基础设施的一个关键部分是车载充电器 (OBC)，每辆电动车都需要，它必须能够将墙上插座的交流电源转换为给电池充电的直流电。氮化镓基晶体管能够让车载充电器的体积更小，重量更轻，这当然就减轻了车辆总重量，增加了续航里程。氮化镓晶体管还可用于制造牵引逆变器，后者将电池中的直流电转换为交流电，并通过提高能效来增加续航里程。

与此同时，碳化硅技术通过研发基于碳化硅的功率产品（包括裸芯片、离散式肖特基二极管和 MOSFET，以及电源模块），帮助完善支持电动车普及所需的充电基础设施。更强的功率转换能力、更快的开关速度和更好的热性能，使得碳化硅成为电动车快充基础设施的理想选择。和氮化镓一样，碳化硅比传统硅材料支持制造出体积更小、重量更轻的设备。

在构建快充基础设施的过程中，碳化硅技术发挥着至关重要的作用，快充电桩可以消除人们对电动车续航里程、可靠性和耐用性的担忧，这些都是在系统设备层面必不可少的特点。随着电动车通过采用更轻的高功率密度电池来增加续航里程，车载充电器通过采用基于碳化硅的解决方案变为可进行双向供电，此类解决方案还可支持快充电动车基础设施中的智能电网应用和电子商务功能。

氮化镓和碳化硅技术因其体积更小、重量更轻、更节能而具有灵活性，而这也是汽车设计的关键。

在解决汽车应用场景中的能源问题，以及汽车能源和不间断电源的其他应用场景方面，WBG 半导体都拥有很大潜力 --请查看本电子书，了解更多信息。人们日益增长的电力需求和环保意识让 WBG 技术成为电力设备的绝佳选择，因为这种技术能够缩小尺寸、提高能效并降低总能耗，这些对汽车行业无不至关重要。