在 EnerConnect 專案中，Fraunhofer IZM 的研究人員正在測試雙向阻塞氮化鎵 (GaN) 電晶體，以設計可與下一代主動轉換器和整流器一起使用的系統。此創新硬體無需單獨的轉換級，可實現創紀錄的 99% 效率。

收費電動車理論上，在自己舒適的車庫裡是可能的。與商用快速充電器相比，它仍然是一種低效的選擇：當來自家庭插座的交流電轉換為電動車所需的直流電時，在轉換過程中會損失大量電力。即使許多電動車車主擁有的現代壁箱也不能完全解決這個根本問題。

作為 EnerConnect 計畫的一部分，弗勞恩霍夫可靠性和微整合研究所 IZM 和柏林工業大學的科學家與其產業合作夥伴 Delta Electronics Inc.、BIT GmbH 和 Infineon Technologies AG 合作，生產具有創新雙向阻塞功能的系統氮化鎵晶體管。

這些電晶體在功率密度和效率方面帶來了巨大的好處，並有望使透過普通家庭插座為電動車充電更加有效。

雙向 GaN 電晶體如何運作？

有源整流器（例如電動車中使用的整流器）已經使用了氮化鎵 (GaN) 或碳化矽(SiC) 半導體，可以在更小、更便宜的被動硬體中處理更高的開關頻率。然而，與雙向 GaN 電晶體不同，目前系統只能將電壓鎖定在一個方向。它們具有兩個閘極結構，可以處理負電壓和正電壓，使得新的開關架構對於公共電網中使用的轉換器和整流器特別有吸引力。

研究人員正在研究的特殊電路拓撲從未在電力電子領域發揮過多大作用，因為它對於傳統元件來說過於複雜。該系統稱為降壓-升壓轉換器，可以在更高或更低的輸入電壓下工作。訣竅在於雙向阻塞晶體管，它可以發揮該設計的所有優點。

目前電動車的做法是讓主動整流器在高電壓下運作。Fraunhofer IZM 目前正在研究的新電路可以降低電壓，從而減少電晶體的開關損耗。

該系統還允許包含一個轉換級：通常，整流器需要兩個獨立的組件，以便先增加輸入電壓，然後再降低至目標電池電壓。使用雙向阻塞 GaN 電晶體意味著這兩個步驟可以在單一轉換級中簡化，從而透過避免不必要的材料並降低系統成本來再次提高效率。

更高效的電晶體不僅限於電動車

這兩種效應意味著電晶體的效率提高到接近 99%，同時新架構還可以提高開關頻率和提高功率密度。研究人員正在努力實現 300 kHz 的目標開關頻率，這將使功率密度提升至每公升 15 kW，比目前市場上的充電器高出整整 800%。

該技術似乎是為電動車量身定制的，因為轉換器安裝在車輛上，並且需要盡可能小。EnerConnect 計畫的目標之一是優化與公共電網配合使用的電路，使電動車甚至可以透過普通家庭插座快速充電。

電路拓撲允許電力雙向移動，這使得它們成為使用汽車電池作為電力儲存和用於光伏系統的想法的完美選擇。

EnerConnect 計畫於 2024 年 2 月 1 日至 2028 年 1 月 31 日在弗勞恩霍夫可靠性和微整合研究所以及柏林工業大學運作。

提供者：弗勞恩霍夫微整合研究所