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里程焦慮，電車車主的“心頭大患”，但它往往與電池容量無(wú)關(guān)。
傳統(tǒng)汽車沒(méi)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(zhǎng)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(duì)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(guò)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(guò)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(lái)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(wú)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(yáng)離子擴(kuò)散受到物理?xiàng)l件的限制，若電子移動(dòng)過(guò)快，超過(guò)陽(yáng)離子擴(kuò)散速度，在正負(fù)極旁邊就會(huì)生成其他副產(chǎn)物，這會(huì)極大的影響電池壽命，當(dāng)雜質(zhì)沉積到一定量也會(huì)導(dǎo)致電池短路，增加電池過(guò)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(kù)環(huán)境中，它使用家庭220V用電，不過(guò)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(duì)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(guò)充電樁內(nèi)置AC/DC轉(zhuǎn)換器將交流轉(zhuǎn)換成直流，直接對(duì)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?？梢钥吹?，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(lái)說(shuō)明功率半導(dǎo)體的作用。
當(dāng)我們?cè)噲D從一個(gè)直徑較大的自來(lái)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(mén)，將閥門(mén)開(kāi)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(guò)線性電源會(huì)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(kāi)大水管上的閥門(mén)就能保證桶內(nèi)的水既不會(huì)干涸也不會(huì)溢出，這就是MOSFET與IGBT等可以快速開(kāi)關(guān)的功率半導(dǎo)體的工作原理，由于晶體管不會(huì)處于常開(kāi)狀態(tài)，其損耗相對(duì)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(chǎng)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(kāi)關(guān)模式電源器件。
先來(lái)說(shuō)說(shuō)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(zhǎng)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(guò)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(huì)限制電容充放電速度，因此速度較慢，驅(qū)動(dòng)電路也會(huì)直接影響MOSFET的切換速度。不過(guò)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(chǎng)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(kāi)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(shuō)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(guò)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(guò)功率半導(dǎo)體從硅基變?yōu)槠渌牧现?，已?jīng)經(jīng)過(guò)了一段長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展，這里簡(jiǎn)單聊一下它的發(fā)展歷程。
1957年，美國(guó)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(guò)其門(mén)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(jí)，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(kāi)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(jí)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(guò)，開(kāi)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(méi)有損耗的。以IGBT、功率MOSFET為代表的開(kāi)關(guān)模式電源，其功率損耗主要發(fā)生在“切換”的過(guò)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(chǎng)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(guò)渡。”他還表示：“GaN提供了更低導(dǎo)通電阻，更低的門(mén)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(kāi)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(chǎng)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(jiǎn)單來(lái)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(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行。
縱觀當(dāng)前市場(chǎng)，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(kāi)功率半導(dǎo)體不斷的迭代與革新。從目前的發(fā)展勢(shì)頭看，電車充電速度追上加油速度，不再是鏡花水月。
