電動(dòng)汽車充電逼近加油速度，要靠功率半導(dǎo)體了

里程焦慮，電車車主的“心頭大患”，但它往往與電池容量無關(guān)。

傳統(tǒng)汽車沒油了可以在5分鐘之內(nèi)加滿油箱悠閑上路，而電動(dòng)汽車往往要占據(jù)充電樁半小時(shí)左右才可以完成臨時(shí)補(bǔ)能。這也直接導(dǎo)致高速充電樁輪轉(zhuǎn)率低，在服務(wù)區(qū)“搶”充電樁成了每個(gè)長途電車車主的必備技能。

 
“緊俏”的充電樁  圖源：搜狐

提升充電速率成為各大車企的重要任務(wù)，而影響充電速率最大的因素——功率半導(dǎo)體成為首要攻關(guān)對象。本文將帶你了解功率半導(dǎo)體的工作原理以及發(fā)展情況，不過在了解功率半導(dǎo)體之前，我們先要知道為什么電動(dòng)汽車充電那么慢。

為什么電動(dòng)汽車充電慢？

電池的充電過程，其實(shí)是電池內(nèi)部的一系列的氧化/還原反應(yīng)。目前電動(dòng)汽車通常搭載鋰離子電池、鈉離子電池等，其結(jié)構(gòu)包含正負(fù)極材料、隔膜以及電解液等。電流本質(zhì)上就是電子的定向移動(dòng)產(chǎn)生的，而電流的大小則與電子的數(shù)量與移動(dòng)的快慢息息相關(guān)，我們可以調(diào)整電解液的離子濃度來控制電子數(shù)量，電子移動(dòng)速度就成了充電速度的關(guān)鍵。

理論上我們可以無限增大外部電壓或電流在加速電子在電池中的移動(dòng)。然而電池中的金屬陽離子擴(kuò)散受到物理?xiàng)l件的限制，若電子移動(dòng)過快，超過陽離子擴(kuò)散速度，在正負(fù)極旁邊就會生成其他副產(chǎn)物，這會極大的影響電池壽命，當(dāng)雜質(zhì)沉積到一定量也會導(dǎo)致電池短路，增加電池過熱起火的風(fēng)險(xiǎn)。

在電池限制了充電速度的天花板后，外部的充電樁就成了限制了充電速率的關(guān)鍵。

理論上，充電樁的功率越大，汽車充電時(shí)間就越短。充電樁有交流充電樁與直流充電樁兩種。目前交流充電樁普適性較強(qiáng)，可以安裝在普通家庭的地庫環(huán)境中，它使用家庭220V用電，不過其充電速度較慢，通常被稱為“低壓慢充”。慢的主要原因是車載OBC將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的功率較低。與之相對的是“高壓快充”，它通常指的是直流充電樁，可以接在380V或以上電壓的專用電網(wǎng)上，且可以通過充電樁內(nèi)置AC/DC轉(zhuǎn)換器將交流轉(zhuǎn)換成直流，直接對車載電池進(jìn)行充電，由于轉(zhuǎn)換器置于車外，所以也有了更大的空間布置散熱系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化器的功率也能設(shè)計(jì)的更大。可以看到，影響充電速度的關(guān)鍵在于AC/DC轉(zhuǎn)換器的功率大小，而其核心電就是功率半導(dǎo)體。

 
不同充電樁區(qū)別  圖源：36氪

功率半導(dǎo)體，汽車充電的核心

其實(shí)我們可以舉個(gè)例子來說明功率半導(dǎo)體的作用。

當(dāng)我們試圖從一個(gè)直徑較大的自來水管中取出連續(xù)不斷且較小的水流時(shí)，可以采用兩種策略：一種是采用轉(zhuǎn)接閥門，將閥門開啟在流量較小的位置，這就是晶體管的線性電源工作原理，不過線性電源會讓調(diào)節(jié)晶體管上承受著較大的壓力（具體表現(xiàn)是熱能耗散）；另一種方法則是讓大水管的水流流入到一個(gè)較大的“水桶”里，再用小水管接到這個(gè)桶里取水，我們只需要斷斷續(xù)續(xù)的打開大水管上的閥門就能保證桶內(nèi)的水既不會干涸也不會溢出，這就是MOSFET與IGBT等可以快速開關(guān)的功率半導(dǎo)體的工作原理，由于晶體管不會處于常開狀態(tài)，其損耗相對較小，發(fā)熱較低，可靠性更高。

功率半導(dǎo)體器件又稱為電力電子器件，主要用于電力設(shè)備的電能變換和控制電路方面大功率的電子器件，包括MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、BJT（全程雙極性結(jié)型晶體管，也就是三極管）、晶閘管、GTO（可關(guān)斷晶閘管）等種類，目前應(yīng)用最廣泛的就是MOSFET、IGBT與BJT等采用開關(guān)模式電源器件。

先來說說MOSFET。功率MOSFET與傳統(tǒng)側(cè)向MOSFET不同的是，它的結(jié)構(gòu)是垂直的。在平面結(jié)構(gòu)中，電流和額定擊穿電壓與通道大?。ㄩL與寬）相關(guān)，而垂直結(jié)構(gòu)中，這兩個(gè)參數(shù)就與參雜厚度相關(guān)，因此垂直結(jié)構(gòu)可以更好的利用晶片面積。

 
一種垂直擴(kuò)散MOSFET  圖源：維基百科

和其他功率半導(dǎo)體（BJT、GTO等）比較，功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是其切換速度快，在低電壓下的效率高，在大部分的電源供應(yīng)器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、低電壓電機(jī)控制器以及許多其他應(yīng)用。

不過功率MOSFET的切換速度仍有限制，就是MOSFET中的內(nèi)部電容。在MOSFET切換時(shí)，內(nèi)部電容需要進(jìn)行充放電，而外部驅(qū)動(dòng)電路會限制電容充放電速度，因此速度較慢，驅(qū)動(dòng)電路也會直接影響MOSFET的切換速度。不過MOSFET的極限也僅能承受200V左右電壓，在電動(dòng)汽車充電速度焦慮的今天不夠用。而耐高壓的IGBT顯然更適合作為目前市場上充電器或者充電樁的選擇。

IGBT是由BJT和MOSFET組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。BJT飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。因此，新能源汽車的的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與AC/DC模塊普遍使用了IGBT元件。

 
IGBT  圖源：互聯(lián)網(wǎng)

IGBT約占電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本的一半，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占整車成本的15—20%，也就是說IGBT占整車成本的7—10%，是電動(dòng)汽車除電池之外成本第二高的元件，也決定了整車的能源效率。

綜上，目前IGBT模塊成為新能源汽車領(lǐng)域功率半導(dǎo)體主流選擇。

在這里要提一點(diǎn)，功率半導(dǎo)體其實(shí)有功率半導(dǎo)體器件與功率IC兩部分，設(shè)計(jì)充電與功率轉(zhuǎn)換的功率半導(dǎo)體器件，也就是IGBT、功率MOSFET等，而控制汽車變頻充電，比如快充到90%電量就停止的器件則是功率IC，不過功率IC就屬于模擬芯片的范疇了。

電車充電有可能和加油一樣快嗎？

其實(shí)電動(dòng)汽車充電速率這些年一直在穩(wěn)步提升。目前第三代半導(dǎo)體加持下的充電樁討論熱度較高，電車充電速度也從之前的“整晚充電”變成了現(xiàn)在的“幾小時(shí)充電”。第三代半導(dǎo)體其實(shí)就是應(yīng)用新材料的半導(dǎo)體，不過功率半導(dǎo)體從硅基變?yōu)槠渌牧现?，已?jīng)經(jīng)過了一段長時(shí)間發(fā)展，這里簡單聊一下它的發(fā)展歷程。

1957年，美國通用電氣公司發(fā)明了世界上第一個(gè)晶閘管，標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。但是由于第一代電力電子器件通過其門極只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷，所以只能是半控型器件。70年代后期，以GTO、BJT、MOSFET為代表的全控型器件迅速發(fā)展，工作頻率達(dá)到兆赫級，標(biāo)志著第二代電力電子器件誕生。80年代后期，集合了MOSFET與BJT優(yōu)點(diǎn)的IGBT誕生，功率半導(dǎo)體模塊的發(fā)展向大功率、高頻化、高效率更進(jìn)一步。而以上所有功率半導(dǎo)體的發(fā)展都是基于Si為基礎(chǔ)發(fā)展的，這些以Si、Ge為襯底的半導(dǎo)體器件統(tǒng)稱為第一代半導(dǎo)體。

20世紀(jì)90年代末期，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的進(jìn)步與消費(fèi)需求飛漲，傳統(tǒng)硅基功率半導(dǎo)體逐漸逼近其理論極限值，以GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）為代表的第二代半導(dǎo)體開始嶄露頭角。相比于第一代半導(dǎo)體，第二代半導(dǎo)體具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性。

目前火熱的第三代半導(dǎo)體其實(shí)并不算是第二代半導(dǎo)體的升級版，而是應(yīng)用在不同領(lǐng)域。第三代半導(dǎo)體同樣起步于90年代，以GaN（氮化鎵）、SiC（碳化硅）、ZnO（氧化鋅）、金剛石為四大代表，是5G時(shí)代的主要材料。其中GaN、SiC主要應(yīng)用在手機(jī)充電、電動(dòng)汽車、消費(fèi)電子以及其他變頻輸出領(lǐng)域。

前文提到過，開關(guān)電源相比線性電源，發(fā)熱較低，損耗較小，然而它也并不是完全沒有損耗的。以IGBT、功率MOSFET為代表的開關(guān)模式電源，其功率損耗主要發(fā)生在“切換”的過程中。德州儀器發(fā)言人曾表示：“GaN具有低得多的輸入和輸出電容以及顯著降低功耗的零反向恢復(fù)電荷。市場上要求更高效率和功率密度的應(yīng)用正以極快的速度向GaN產(chǎn)品過渡。”他還表示：“GaN提供了更低導(dǎo)通電阻，更低的門極電容與單位輸出電容，更低的柵極驅(qū)動(dòng)損耗，這些都能幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步提高器件的開關(guān)頻率，并縮小尺寸。”其他專家也提出SiC和GaN的帶隙較寬，都可提供更高的電場和更高的導(dǎo)熱性。SiC器件更適合電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施中的車載充電器和牽引逆變器。

 
襯底材料的晶格失配和熱失配關(guān)系示意圖  圖源：維科網(wǎng)

簡單來講，和前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體更寬的禁帶寬度允許材料在更高的溫度、更強(qiáng)的電壓與更快的開關(guān)頻率下運(yùn)行。

縱觀當(dāng)前市場，目前應(yīng)用第三代半導(dǎo)體的大功率液冷充電樁可以做到最大功率600kW，480kW的大功率充電樁已經(jīng)在普及階段。理論上1000公里續(xù)航電池10%—80%充電時(shí)間可以壓縮到10分鐘左右。這其中離不開功率半導(dǎo)體不斷的迭代與革新。從目前的發(fā)展勢頭看，電車充電速度追上加油速度，不再是鏡花水月。