电动汽车（EV）电动汽车是由电动机驱动、依靠电池或其他储能系统供电的交通工具。主要可分为纯电动汽车（BEV）、插电式混合动力汽车（PHEV）、混合动力汽车（HEV）和燃料电池汽车（FCEV）。在当今社会，电动汽车在减少温室气体排放、推动可再生能源转型以及改善城市噪音和空气质量方面发挥着关键作用。

电动汽车（EV）驱动系统通常由电池组、功率电子变换器（包括逆变器和 DC-DC 变换器）、电动机和控制单元组成。

• 车载充电机（OBC）
• 电池系统
• 驱动系统
• 直流转换器
• 电源分配单元（PDU）

电力电子技术

由于 1980s, MOSFET 一直是低压逆变器的首选器件，而 IGBT 则适用于 150V 及以上电压。直到 2010s, 中后期，碳化硅（SiC）MOSFET 等宽禁带半导体实现商业化之前，IGBT 一直是高压市场的主导选择。

IGBT 是高效的开关器件，但在某些方面存在局限。尽管其开关速度较快，但与 MOSFET 等器件相比仍较慢。慢速开关的主要问题是：在从“导通”切换到“关断”或反之的过程中，器件仍受导通电压影响，导致开关过程中产生显著功率损耗。换句话说，开关瞬间器件处于部分导通状态，这是不理想的。开关时间越长，产生的热量越多，因此必须限制开关频率，以防止过热并保护器件性能。

随着硅基功率集成电路（Si）技术逐渐逼近极限，工程师们正在寻求替代方案，以助力打造更小、更轻、更高效的产品。

宽带隙（WBG）材料（如氮化镓和碳化硅）凭借更高的电子迁移率和更大的带隙能量，性能优于硅。碳化硅功率器件与硅器件具有相似特性，例如相似的导通和关断电压要求。然而，与氮化镓类似，碳化硅也能在比硅更高的温度下工作，提供更优的热管理；同时具备更高的开关频率、更低的开关损耗、更高的效率以及更小的体积和重量。

逆变器和整流器

在电力电子领域，逆变器和整流器是两大核心器件。逆变器主要用于将直流电转换为交流电输出，以驱动电机等负载；整流器则执行相反功能，将交流电转换为直流电。在电动汽车中，牵引逆变器不仅实现逆变功能，还在再生制动时充当整流器：它将电机产生的交流电能转换为直流电并为电池充电。这种双向能量流动显著提升了电动汽车的能效与续航里程。

在电力电子领域，整流器、逆变器和 D 类放大器等术语虽名称不同、功能各异，但其核心电路设计高度相似。这种共性源于广泛应用的半桥拓扑结构。根据所用器件类型及控制方法的不同，半桥可实现整流、逆变乃至信号放大等功能。

若半桥电路使用固定二极管作为开关，仅能实现整流（将交流电转换为直流电）。而采用可控半导体开关（如晶体管或 IGBT）时，半桥电路既能实现逆变（将直流电转换为交流电），也能实现整流，甚至支持能量回馈功能。

通过优化设计，半桥结构可扩展为多种拓扑，如单相整流器和 H 桥逆变器。尽管基本原理相似，但需调整电路中的开关控制与连接方式，以适应不同应用场景。

在电动汽车（EV）领域，三相逆变器是最常用的形式。其电路由三个半桥组成，每个半桥控制电机的一相电流。对于多相电机，可添加额外的半桥单元，以满足更高相数系统的控制需求。

功率器件应用

绝缘栅双极晶体管（IGBT）的出现是电力电子技术的关键突破。作为一种结合了 MOSFET 和 BJT 特性的半导体开关器件，IGBT 能够在高电压、大电流场景下实现高效开关，同时保持较低的导通损耗。这一特性使其成为驱动大功率电机的理想选择。现代变频器通常将多个半桥及相关电路组件集成到完整的电机驱动系统中。尽管这些系统也具备整流功能，但仍普遍被称为“变频器”或“变频驱动器”（VFD）。在工业应用中，这类设备常被称为“电机驱动器”。

大电流功率模块通常采用 IGBT 器件，其中 Si IGBT 与 Si 快恢复二极管（FRD）配对，构成汽车逆变器模块的常见配置。然而，与现有 Si IGBT 器件相比，SiC（碳化硅）器件具备更高的工作温度和更快的开关速度。这些特性使 SiC 器件成为牵引逆变器的最佳选择，因为牵引逆变器需要向电池和从电池传输大量能量。

作为首家将全碳化硅功率模块集成到主逆变器中的电动汽车制造商，特斯拉已在 3 车型中采用了该技术。

车载充电机（OBC）

电动汽车车载充电器（OBC）负责将电网的交流电（AC）转换为适合为电池充电的直流电（DC）。随着用户对快充需求的不断增长，现代 OBC 需支持更高功率，同时确保高效的能量转换和紧凑设计。

车载充电机（OBC）的设计旨在最大化能效与可靠性，以实现快速充电，同时满足电动汽车制造商对空间和重量的限制。采用氮化镓（GaN）技术的 OBC 设计可简化 EV 冷却系统、缩短充电时间并降低功耗。

车载充电器（OBC）将交流电源转换为高压直流电，例如 400V 或 800V（具体取决于车辆电池电压）。功率范围通常在 6.6 kW 至 22 kW 之间。800V 电池系统需采用 1,200V SiC MOSFET 和差分电路以确保足够的安全裕量；而在 400V 电池系统中，车载充电机（OBC）、DC-DC 变换器和牵引逆变器均可使用额定电压为 650V 或 700V 的氮化镓（GaN）器件。

车载充电机（OBC）是未来可持续智能电网基础设施的关键技术之一。它使电动汽车能够作为储能设备或为其他负载供电，有助于管理电力需求并稳定电网。GaN 和 SiC 器件可支持先进的功率拓扑结构，减小体积并集成功率转换器，从而优化系统结构与效率。

就市场份额而言，商用氮化镓（GaN）功率器件略逊于碳化硅（SiC）器件，但凭借其卓越性能正迅速追赶。与 SiC 器件一样，GaN 器件具有开关损耗低、开关速度快、功率密度高等优势，有助于减小系统体积和重量，同时降低整体成本。

DC/DC 转换器

电动汽车通常包含多个在不同电压等级下运行的电气子系统。DC/DC 转换器负责在高压电池与低压系统（如车灯、娱乐系统）之间转换电能。高效转换器有助于降低能量损耗并延长车辆续航里程。

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为传统功率半导体器件，具有成本低、技术成熟等优势。然而，其开关损耗会导致热量积聚，需额外散热措施，限制了其在高频大功率应用中的性能。尽管如此，IGBT 仍适用于中低功率 DC-DC 转换器，尤其在较低开关频率下，具备显著的成本效益。

碳化硅（SiC）器件具备足以满足电动汽车功率转换需求的快速开关速度，其整体更高的耐用性也是一大优势。氮化镓（GaN）器件具有零反向恢复特性，可显著降低开关损耗。对于需要兆赫兹级开关频率的应用，GaN 可能是最佳选择。额定功率高达 25 kW 的车载充电器（OBC）及高压转低压 DC-DC 转换器均非常适合采用 GaN 技术。

碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）在电动汽车（EV）功率电子中的应用与发展

IDTechEx 预测，到 2035 年，碳化硅（SiC）MOSFET 将占据汽车功率半导体市场超过 50% 的份额。SiC 技术正逐步解决电动汽车（EV）市场的关键挑战，包括续航焦虑、充电速度、可持续性，以及 800V 架构的广泛采用，特别是在高压充电和高效能源管理方面，SiC 在这些领域展现出显著优势。

尽管氮化镓（GaN）目前尚未完全准备好用于高压应用，但预计未来将迅速渗透电动汽车功率电子市场。初期，GaN 将主要用于车载充电器（OBC）和 DC-DC 转换器等低功率、高频应用，随后逐步扩展至逆变器等高功率系统。随着罗姆（ROHM）、英飞凌（Infineon）和瑞萨（Renesas）等巨头加大投资并实现技术突破，GaN 器件在主板技术、垂直结构设计和多级拓扑等领域有望取得显著进展。这些技术创新可能使 GaN 在未来十年内成为电动汽车功率电子领域的关键解决方案。

在电动汽车功率电子生态系统中，硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）将共存互补，各自发挥独特优势并适用于不同场景。SiC 将在牵引逆变器和车载充电器等高功率应用中继续发挥主导作用，尤其是在800V及以上电压系统中。预计短期内，GaN 将在 DC-DC 转换器及车载充电系统等低功率、高频应用中扮演关键角色。

日立能源全球发布变革性功率半导体模块，适用于各类电动汽车:https://www.hitachienergy.com/products-and-solutions/semiconductors/e-mobility-modules