宽禁带器件在电动汽车中的研究和应用

董耀文，秦海鸿，付大丰，徐华娟，严仰光

（南京航空航天大学自动化学院，南京211106）

宽禁带器件在电动汽车中的研究和应用

董耀文，秦海鸿，付大丰，徐华娟，严仰光

（南京航空航天大学自动化学院，南京211106）

硅基电力电子器件经过长期的发展，其性能已经逼近其材料极限，很难再大幅提升硅基电力电子装置的性能。以碳化硅和氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体器件比硅器件具有更优的器件性能，成为电力电子器件新的研究发展方向。首先主要介绍了电动汽车对电力电子变换器的要求及宽禁带器件的发展，然后对宽禁带器件在电动汽车中的研究现状进行了分析和展望，最后指出了宽禁带器件在电动汽车应用中面临的主要问题。

宽禁带器件；碳化硅；氮化镓；电动汽车

引言

随着全球经济的发展，能源消耗越来越多，二氧化碳排放量也逐年上升。目前，全球25%的二氧化碳排放来自于汽车。据相关报告，截至2030年，全球CO2排放量将增至423亿t［1］。因此，发展电动汽车是实现节能减排与汽车行业跨越式发展的必然措施。

根据汽车动力来源，电动汽车可分为纯电动汽车EV（electric vehicle）、混合电动汽车HEV（hybrid electric vehicle）和燃料电池电动汽车FCEV（fuel cell electric vehicle），其中，纯电动汽车和混合电动汽车是目前研究和发展的主要方向［2］。

汽车电气化、机电一体化程度的提高，以及自动冷却水平较低的限制，要求功率变换器能在更高的环境温度下工作。电动汽车中主要单元的极限温度限制［3］，为电机120℃，废气涡轮增压机200℃，节流阀200℃，变速箱145℃，仪表盘110℃，传动链175℃，车顶复合板85℃，排气口650℃，各部分苛刻的工作环境对开关器件在高温工作下的可靠性提出了更高的要求。

随着功率变换器开关频率的提高，功率变换单元中的无源滤波器的体积以及整个变换器的重量和体积也随之减小。另外，提高电动机的旋转速度可以减小电动机的体积，提高效率；减少机械齿轮的使用，使电动机拥有更精确的动态特性［4-5］。目前，已有多家德国制造商将电气控制单元和辅助动力系统中蓄电池的电压等级提高到了48 V，以满足高电压负载，如空调系统的要求［6］。在EV和HEV中，由于功率等级不同，电压等级从100 V到450 V不等。在Toyota公司最新款电动汽车中，电压等级已经超过了600 V。电动汽车中的储能装置多采用锂电池，为了提高电能的利用率，必须提高功率变换器的效率［7］。另外减小变换器的体积，提高变换器在高温工作下的可靠性也同样重要。

在纯电动汽车和混合电动汽车的动力单元和控制单元中，DC/DC变换器和DC/AC逆变器多采用以硅（Si）为主要半导体材料的IGBT或功率MOSFET作为开关器件［8］。由于Si器件开关频率和导通电阻的限制，Si基功率变换器的发展已经接近了其性能极限。美国能源局制订了2020年HEV的发展目标：电力电子设备的功率密度超过14.1 kW/kg，体积小于13.4 kW/L，效率超过98%，价格低于3.3$/kW［10］。这个发展目标对电力电子器件和拓扑性能、控制策略、系统集成以及封装都提出了新的要求和挑战。基于新型宽禁带半导体材料的电力电子器件具有更优越的性能，目前宽禁带半导体器件中碳化硅SiC （silicon carbide）和氮化镓GaN（gallium nitride）电力电子器件均已有商业化产品，研究宽禁带器件在电动汽车的应用对电动汽车的发展具有重要意义。

1　宽禁带器件的特性

硅基电力电子器件经过近60年的长足发展，性能已经趋近其理论极限［9］，通过器件原理的创新、结构的改善及制造工艺的进步已经难以大幅度提升其总体性能，不能满足电动汽车中电力电子变换器高温、高压、高频、高效和高功率密度的要求［11］。宽禁带半导体材料，如SiC、GaN，与传统硅材料相比具有更优越的性能，主要表现在：禁带宽度大、饱和电子漂移速度高、临界击穿电场大、化学性质稳定等。图1给出了宽禁带半导体材料与硅材料关键特性的对比［12］。因此基于宽禁带材料制造的电力电子器件具有Si器件无法相比的电气性能。

（1）导通电阻小。宽禁带半导体SiC和GaN均具有较高的电子饱和速度（2倍于Si材料），使得SiC和GaN器件具有很低的导通电阻，导通损耗低。

（2）开关速度快、频率高。宽禁带半导体SiC和GaN材料具有较高的电子迁移率，其开关时间在纳秒级别，开关速度快；关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，可大大提高实际应用的开关频率，其中GaN器件的开关频率可达MHz级别。

（3）耐压高。宽禁带半导体SiC和GaN材料具有3倍于Si的禁带宽度，因此具有更高的耐压能力。

（4）耐高温性能好。SiC和GaN材料的热导率均较高，散热更容易，器件可在更高的环境温度下工作，如SiC肖特基二极管的工作结温已经达到了361℃［13］。

图1　Si、SiC和GaN材料特性对比Fig.1　Comparison of material characteristics between Si，SiC and GaN

宽禁带功率器件的这些性能，可以满足电动汽车对功率变换器高温、高压、高频、高功率密度等恶劣工作环境的要求，是目前半导体领域最优越的材料。迄今为止，SiC功率开关器件主要类型有SiC SBDs（肖特基二极管）、SiC BJTs（双极型晶体管）、SiC JFETs（结型场效应管）、SiC MOSFETs（绝缘栅型场效应管）和SiC IGBTs（绝缘栅双极晶体管），文献［14］对其进行详细介绍，本文不再详细叙述。其中，SiC SBDs、SiC MOSFETs和SiC JFETs最具市场竞争力，SiC SBDs由于反向恢复电流较小和成本适中，已经在部分电动汽车变换器中得到了应用。GaN功率器件主要类型有GaN SBD（肖特基二极管）、GaN PN二极管、GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）和Cascode GaN HEMT（级联结构高电子迁移率晶体管）。尽管GaN器件目前尚处于发展初期，商用增强型GaN HEMT的耐压目前大都限制在300 V［15］，但其开关频率已经达到了MHz级，相信在不久的将来，GaN将凭借其优越的性能得到广泛的应用。

2　宽禁带器件的发展

2.1碳化硅器件的发展

早在20世纪90年代之前，研究人员就已经开始了对SiC材料的研究，但直到21世纪，SiC功率电子器件才进入大量生产阶段［16］。如今，SiC SBD、SiC JFET和SiC MOSFET已广泛应用于功率变换器场合。同时，各大生产厂商也在加紧对SiC BJT、IGBT、GTO的研究［17］。英飞凌（Infineon）公司在2001年推出首个商业化的SiC肖特基二极管，拉开了SiC功率器件商业化的序幕［18］。2010年10月，Gene SiC公司研发了全球第一款SiC晶闸管，其电压为6.5 kV，电流为80 A，最高工作结温为200℃，最大工作频率为200 kHz，虽然该晶闸管未投入大量生产，但提供定制服务［19］。Cree公司在2011年开始大批量生产SiC MOSFET，2012年推出了1200 V/100 A的全SiC功率模块。随后，国际上各大半导体器件制造厂商，包括美国的Cree、Genesic、Semisouth、Microsemi、PowerEx、IR、德国的Infineon、欧洲的IXYS、Transic和日本的罗姆（Rohm）、三菱（Mitsbushi）、富士（Fuji）、瑞萨（Renesas）等公司都相继推出自己的SiC功率器件。图2给出SiC半导体材料及器件商业化发展过程。国内外的很多科研机构与高等院校，如美国的GE（general electric）公司、陆军研究实验室、北卡罗莱纳州立大学、田纳西州立大学、德国德累斯顿工业大学、瑞士苏黎世理工学院和日本关西电力公司等也在开展SiC功率器件的研究，并积极与半导体制造厂商合作，开发出了远高于商业化器件水平的实验室器件样品。这些都为SiC功率器件的进一步发展和完善奠定了基础。

图2　SiC半导体材料及器件的发展过程Fig.2　Development process of SiCsemiconductor materials and devices

2.2氮化镓器件的发展

GaN基功率芯片第一次出现是在2000年，此GaN FET采用射频标准在SiC衬底上制造完成，其击穿电压接近500 V，导通电阻为75 mΩ/mm2，开关时间仅为5 ns。

2003年，Mehrotra等首次成功研制了 600 V/ 2.5 A的常通型高电子迁移率晶体管（HEMT），但其可靠性较低，未得到广泛应用［20］；次年，第一代常断型芯片在碳掺杂的GaN晶体管中完成测试［21］；直到2010年，用Si衬底取代SiC衬底才使GaN器件的发展取得质的飞跃，并大大降低了制造成本；同年，采用双栅极结构制造出具有低导通电阻的常断型GaN FET［22］，常断型GaN FET在结温200℃的测试条件下工作正常［23］；2013年，在2 kW/500 kHz和430 W/ 1 MHz的硬开关变换器中引入了GaN HEMT，其效率均达到了95%以上，功率密度接近11 W/cm3。2014年，一种新型的级联结构GaN器件面世，该结构采用低压Si MOSFET与高压常通型GaN器件级联的方式，将常通型器件改造为常断型器件［24］，其结构与封装如图3所示［25］。

图3　级联结构的GaN HEMTFig.3Cascode GaN HEMT

目前，Efficient Power Conversion（EPC）、Fujitsu、Transphorm以及 GaNSystems公司均有 GaN HEMT器件销售，其中EPC公司主要生产和销售增强型GaN器件，其他公司主要生产级联结构GaN HEMT。图4给出了GaN基功率器件的发展历程。

图4　GaN基功率器件的发展历程Fig.4　Development process of GaN s devices

3　国内外应用和研究现状

3.1宽禁带器件在电动汽车中的应用

在电动汽车中引入宽禁带器件，需要对每一个电力电子功率单元进行新的设计。

（1）功率交换器：采用宽禁带器件可以提高功率变换器高温工作下的可靠性，减小散热系统的体积。传统Si基变换器的损耗较大，对冷却系统的要求较高。图5为采用传统Si基半导体器件散热片体积和采用SiC SBD的小功率EV车载逆变器散热片体积的对比，由图可看出，采用 SiC SBD器件散热片的体积大大减小［26］。

在电动汽车中，引擎部分需要冷却系统保持其温度在105℃，而功率变换器部分则要求冷却系统使其温度在70℃左右［27］，为了使两部分正常工作，必须采用两套冷却系统以满足不同的要求。这大大增加了电动汽车冷却系统的体积。SiC功率器件工作结温已经达到了361℃，GaN器件的工作结温也在200℃左右，因此，采用宽禁带器件构成的功率变换器可在更高的环境温度下正常工作，可将引擎冷却系统与功率变换器的系统合二为一，大大减小功率变换器的体积。

图5　散热片体积对比Fig.5　Heat-sinks comparison between Si and SiC SBDs

（2）电池充电器：电池充电器是电动汽车中的重要部分，主要由AC/DC变换器和DC/DC变换器构成的PFC变换器组成［28］。PFC变换器的工作频率决定了输出滤波电感和电容的纹波电压、纹波电流。采用宽禁带器件可以显著提高变换器的工作频率，从而减小滤波电感和电容的体积，降低电压、电流纹波，提高电感和电容工作的可靠性。无源元件体积的减小意味着整个变换器体积的减小，功率密度的提高。

文献［28］采用SiC SBD和SiC DMOSFET设计了一款车载电池充电器OBC（on-vehicle battery charger），如图6所示。该充电器前级为PFC Boost变换器，后级为ZVS全桥变换器，两级所用SiC MOSFET的开关频率均为200 kHz，整个OBC的功率高达3.3 kW，前级Boost变换器的效率为97.7%，整个OBC的效率为94.7%。

图6　车载电池充电器Fig.6　On-vehicle battery charger

（3）电机驱动器：电动汽车中主电机的驱动器拓扑有多种，其中最常用的是两电平三相电压源型逆变器，如图7所示。文献［29］以此拓扑为例，对SiC基逆变器与Si基逆变器进行了对比研究。仿真结果证明，采用SiC器件可显著降低损耗，其中，SiC BJT构成的逆变器损耗降低了53%。当频率升高时，损耗还会进一步降低，开关频率为15 kHz时，SiC BJT逆变器的损耗降低了67%，如图8所示。

图7　三相逆变器Fig.7　Three-phase inverter

图8　不同频率损耗对比Fig.8　Power loss of SiC and Si devices with increasing switching frequency

3.2宽禁带器件主要研究内容

宽禁带器件在电动汽车中的研究主要集中在以下3个方面。

（1）性能研究。目前，许多研究都集中在通过仿真和实验分析SiC和GaN器件在动态特性、损耗以及高温方面给功率变换器带来的性能改善。文献［30］分别建立了Si器件和SiC器件在混合电动汽车牵引逆变器中的损耗和热模型，并进行了对比分析，指出采用SiC器件可将损耗降低70%；文献［31］研究了一台采用SiC JFET和SiC SBD的25 kVA风冷逆变器，功率密度达到了70 kVA/L，在驱动一台15 kW的电机时效率达到了98.8%，而结温仅为90℃；文献［32］研究了采用GaN HEMT和Si IGBT电机驱动逆变器的效率，其对比结果表明，无论是在轻载还是重载状况下，采用GaN HEMT均能改善逆变器的效率。

《水利工程供水价格管理办法》第九条规定：利用贷款、债券建设的水利供水工程，供水价格应使供水经营者在经营期内具备补偿成本、费用和偿还贷款、债券本息的能力并获得合理的利润。第十条规定：非农业用水价格在补偿供水生产成本、费用和依法计税的基础上，按供水净资产计提利润，利润率按国内商业银行长期贷款利率加2～3个百分点确定。南水北调工程的供水对象基本是非农业用水。按规定，利润率应为净资产的8%～10%。

（2）新型逆变器拓扑研究。在电动汽车驱动逆变器中使用宽禁带器件可提高逆变器的开关频率，进一步改善电动汽车的效率。为了适应新器件带来的优势，研究人员提出了新型逆变器拓扑。最先被提出的方法是在逆变器每相输出端增加一个电感，文献［33］采用此方法在Si IGBT的15 kHz和GaN HEMT的100 kHz逆变器中进行了对比研究，其研究结果证明采用GaN器件显著改善了输出波形，且将逆变器的效率提高了8%。为了将升压变换器和逆变器合成为一个拓扑，并输出正弦波，同时减小器件应力，研究人员提出了Z源网络逆变器（ZSI）［34-35］。ZSI理论是建立在晶体管开关转换过程基础上，采用宽禁带器件可以在大电流时减小开关损耗，同时减小器件所受电压、电流应力，增加电子器件的使用寿命。

（3）高速驱动电路研究。宽禁带SiC和GaN器件为功率变换器提供了更高的开关频率，为了实现其在更短时间内有效的开关，必须设计适用于宽禁带器件的高速驱动电路。高速驱动电路要求主要包括：①栅极驱动电路能够快速地注入/释放栅极电荷，降低功率管的开关时间；②栅极驱动电路在高频开关下的dv/dt和di/dt要小，避免电压、电流的振荡引起功率管的误导通；③驱动损耗要小，为了使功率管的导通电阻维持在最小值，栅极驱动电路常使栅极维持一定的电压和电流，因此必须降低驱动电路的损耗。文献［36］对适用于SiC器件的驱动电路进行了详细介绍，GaN器件比SiC器件的开关频率更高，对驱动电路的要求也更高；文献［37］设计了一种适用于GaN晶体管的高速驱动电路，如图9所示，该驱动电路在开关频率为7 MHz时仍可保持栅极电压平稳，不仅提高了驱动电路的稳定性和可靠性，还减小了反向恢复带来的损耗。

图9　GaN高速驱动电路Fig.9　Gate drive structure of GaN power transistors

3.3面临的挑战

尽管宽禁带器件在电动汽车电力系统中具有显著的优势和广泛的应用前景，但其发展道路上还存在诸多挑战。

（1）电磁干扰与电磁兼容。电动汽车中的电力电子装置是电动汽车中最主要的电磁干扰源，虽然提高功率变换器的开关频率可以提高效率和功率密度，但也会带来更多的电磁干扰。电动汽车内有大量对电磁噪声敏感的设备，不合理的电磁兼容设计会对其他车载电子设备造成干扰，甚至导致其误动作，给电动汽车带来较大的安全隐患。

SiC功率器件的高开关速度导致逆变器开关瞬态的dv/dt和di/dt很高，产生的高频噪声比Si基电机驱动器高20 dB［38］。由于开关频率的增加，逆变器中的谐波频率也会增加。在Si基电机驱动器中回路寄生参数可以忽略，但采用宽禁带器件之后，必须考虑回路寄生参数对电磁干扰EMI（electromagnetic interfereme）的影响。高开关速度产生的高dv/dt和di/dt会使逆变器回路中产生振荡和过压，另外，高频振荡与高dv/dt会产生潜在的击穿和故障可能。由于开关频率的增加，宽禁带器件电机驱动器的EMI滤波器必须考虑滤波器寄生参数对滤波性能的影响，不能以理想LC滤波器来设计。因此，必须研究宽禁带器件高频开关带来的电磁干扰，并针对干扰源与传播路径寻求解决办法，提高电动汽车的电磁兼容性能。

（2）高频磁性材料与磁性元件。提高功率变换器的开关频率可以缩小磁性元件的体积，但高频下的磁性元件会表现出其他问题。首先，提高开关频率会增大磁芯的铁损，使功率变换器效率降低，必要时可选择无磁芯电感，如文献［39］采用无磁芯电感使整个同步整流Buck变换器的效率提高了3%；其次，由于开关频率的提高，在低频下可以忽略的某些寄生参数，在高频下将对电路某些性能 （磁性元件的漏感和分布电容等）产生重要影响，因此要研究低寄生电容电感的设计。另外，对于GaN器件而言，当开关频率提高到3 MHz以上时，几乎没有可供选择的磁性材料，因此，磁性材料开发也应予以重视［40］。高频磁技术理论作为学科前沿问题，如磁心损耗的数学建模，磁滞回线的仿真建模，高频磁元件的计算机仿真建模等，需要受到研究人员的重视。

（4）器件并联扩容。因受到晶圆生长和制造工艺的限制，现有商用SiC和GaN器件的电压电流定额仍相对较低，不能满足于电动汽车大容量系统的需求，因此需要采用单管器件或者管芯并联的扩容方法以扩大功率器件的电流处理能力［43］。由于工艺水平的限制，不同器件在导通电阻、开启阈值电压、寄生元件等参数上存在较大的参数分散性，会引起并联器件均流问题。因此，除了需要设计合适的驱动电路使并联器件开关同步外，还需要特别注意并联器件的动态均流问题。

4　结语

电动汽车的发展对电动汽车中功率变换器提出了更高的要求，宽禁带半导体器件因具有更低的导通电阻、更高的开关频率、更高的耐压以及更好的耐高温性能，非常适合应用于电动汽车中。本文主要介绍了宽禁带半导体器件的发展和宽禁带半导体在电动汽车中的研究与应用，最后提出了宽禁带器件在电动汽车应用中仍需面对的挑战。

［1］吴海雷，陈彤.碳化硅功率器件与新能源汽车［J］.新材料产业，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］王学梅.宽禁带碳化硅功率器件在电动汽车中的研究与应用［J］.中国电机工程学报，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］胡光铖，陈敏，陈烨楠，等.基于SiC MOSFET户用光伏逆变器的效率分析［J］.电源学报，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］盛况，郭清，张军明，等.碳化硅电力电子器件在电力系统的应用展望［J］.中国电机工程学报，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］朱梓悦，秦海鸿，董耀文，等.宽禁带半导体器件研究现状与展望［J］.电气工程学报，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，Fort 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］周玉栋，许海平，曾莉莉，等.电动汽车双向阻抗源逆变器控制系统设计［J］.中国电机工程学报，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，Ferreira 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］王建冈.集成电力电子模块封装技术的研究［D］.南京：南京航空航天大学，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，FU 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 基金项目：教育部博士点基金资助项目（20123218120017）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（NS2015039，NJ20160047）；国家自然科学基金资助项目（51277095）；江苏高校优势学科建设工程资助项目 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：氮化镓功率器件应用技术，E-mail：dongyaowennuaa@qq.com。

秦海鸿（1977-），男，博士，副教授，研究方向：宽禁带功率器件应用技术、功率变换技术、电机控制，E-mail：qinhaihong@nu aa.edu.cn。

付大丰（1975-），男，博士，副教授，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：fdf_ nuaa@nuaa.edu.cn。

徐华娟（1986-），女，博士，助理实验师，研究方向：智能电网，E-mail：xuhuajuan @nuaa.edu.cn。

严仰光（1935-），男，博士，教授，研究方向：电力电子与电力传动，E-mail：yanya ngguang@nuaa.edu.cn。