在 EnerConnect 项目中，Fraunhofer IZM 的研究人员正在测试双向阻塞氮化镓 (GaN) 晶体管，以设计可与下一代有源转换器和整流器一起使用的系统。该创新硬件无需单独的转换级，可实现创纪录的 99% 效率。

收费电动汽车理论上，在自己舒适的车库里是可能的。与商用快速充电器相比，它仍然是一种低效的选择：当来自家庭插座的交流电转换为电动汽车所需的直流电时，在转换过程中会损失大量电力。即使许多电动汽车车主拥有的现代壁箱也不能完全解决这个根本问题。

作为 EnerConnect 项目的一部分，弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所 IZM 和柏林工业大学的科学家与其行业合作伙伴 Delta Electronics Inc.、BIT GmbH 和 Infineon Technologies AG 合作，生产具有创新双向阻塞功能的系统氮化镓晶体管。

这些晶体管在功率密度和效率方面带来了巨大的好处，并有望使通过普通家庭插座为电动汽车充电更加有效。

双向 GaN 晶体管如何工作？

有源整流器（例如电动汽车中使用的整流器）已经使用了氮化镓 (GaN) 或碳化硅(SiC) 半导体，可以在更小、更便宜的无源硬件中处理更高的开关频率。然而，与双向 GaN 晶体管不同，当前系统只能将电压锁定在一个方向。它们具有两个栅极结构，可以处理负电压和正电压，使得新的开关架构对于公共电网中使用的转换器和整流器特别有吸引力。

研究人员正在研究的特殊电路拓扑从未在电力电子领域发挥过多大作用，因为它对于传统元件来说过于复杂。该系统称为降压-升压转换器，可以在更高或更低的输入电压下工作。诀窍在于双向阻塞晶体管，它可以发挥该设计的所有优点。

目前电动汽车的做法是让有源整流器在高电压下运行。Fraunhofer IZM 目前正在研究的新电路可以降低电压，从而减少晶体管的开关损耗。

该系统还允许包含一个转换级：通常，整流器需要两个独立的组件，以便首先增加输入电压，然后再降低至目标电池电压。使用双向阻塞 GaN 晶体管意味着这两个步骤可以在单个转换级中简化，从而通过避免不必要的材料并降低系统成本来再次提高效率。

更高效的晶体管不仅限于电动汽车

这两种效应意味着晶体管的效率提高到接近 99%，同时新架构还可以提高开关频率和提高功率密度。研究人员正在努力实现 300 kHz 的目标开关频率，这将使功率密度提升至每升 15 kW，比目前市场上的充电器高出整整 800%。

该技术似乎是为电动汽车量身定制的，因为转换器安装在车辆上，并且需要尽可能小。EnerConnect 项目的目标之一是优化与公共电网配合使用的电路，使电动汽车甚至可以通过普通家庭插座进行快速充电。

电路拓扑允许电力双向移动，这使得它们成为使用汽车电池作为电力存储和用于光伏系统的想法的完美选择。

EnerConnect 项目计划于 2024 年 2 月 1 日至 2028 年 1 月 31 日在弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所以及柏林工业大学运行。

提供者：弗劳恩霍夫微集成研究所