電動車的傳動系統至關重要，其核心元件是牽引逆變器。牽引逆變器是電動交通工具提升效率和永續性的關鍵，會直接影響功率輸出，並大幅改變汽車動力。電動車效率的提升，也必須考慮整合輔助子系統，並運用高階半導體技術。
交通和運輸是日常生活不可或缺的一環，若要達成保護環境的目標，勢必要關注交通相關產業，尤其是減少二氧化碳、氮氧化物等溫室氣體及懸浮微粒的排放。然而，隨著電動車市場持續拓展，原物料和稀土的需求也不斷上升。因此交通轉型不只需要將採用純電動車，為了實現更環保的未來，必須採用節能、永續解決方案。例如傳動系統的電氣化可大幅降低排放量，而新興的半導體功率技術和輔助晶片組，則有助發揮最大能源效率。
目前的汽車傳動系統包括多種元件，例如車載充電器(OBC)、電池管理系統(BMS)、逆變器和牽引馬達(圖1)。這些應用彼此協同運作，提升汽車效率。電池容量和電能效率等因子，都是汽車續航力的關鍵。為了實現最佳駕駛效能，電動傳動系統的所有層面和電動車本身都必須經過最佳化，例如減輕重量、盡可能降低空氣阻力、減少滾動阻力，同時將動能回收效能最大化。整車的設計也必須考慮整合汽車，和智慧型充電基礎設施。同時，依據汽車的預期用途，開發人員需要決定適當的車款及大小來進行設計。為了確保汽車整個生命週期的永續性，生產流程和回收選擇也應納入考量。
OEM 探討效率時，續航力不一定是唯一的影響因素，因為減少汽車重量可立即提升汽車效率。較輕的汽車生產需要較少的原物料和稀土，同時減少相同距離行駛所消耗的能源。因此，為了提升汽車產量並維持實惠價格，效率就是其中關鍵。
逆變器功能廣泛
逆變器可控制牽引馬達，將直流電(DC)轉換成引擎動力所需的交流電(AC)。逆變器也可改變 AC 頻率，藉此調整馬達速度。在發電機模式中，逆變器則像是制動器，吸收汽車的動能並將此回收儲存(圖2)。動能回收的效率，就是系統可保存能量多寡的關鍵。在此，採用碳化矽(SiC)的功率半導體優勢浮現，因為SiC能實現雙向電流的開關。此外，回收越多動能，機械剎車熱能逸散程度就會降低，進而減少剎車粉塵。
全電動傳動系統的發明為汽車產業帶來全新挑戰，因為彼此相依的應用必須進一步整合。由於汽車功能的相依特性，OEM 必須採取更宏觀的視角，而這也造就最佳化汽車的機會。例如運用牽引逆變器當作制動系統，可降低對純機械剎車系統的依賴。牽引逆變器產生的扭力，較機械系統更為精準、有效率，而且也支援上坡固定、剎車和 ABS 功能。此外，四馬達系統能夠管理扭力，有潛力取代標準電子穩定控制(ESC)系統。此外，牽引逆變器除了可作為汽車馬達驅動器，更具備其他多種功能(圖3)。
SiC/GaN 提升效能
寬能隙(WBG)半導體裝置可大幅提升多種應用的電源效率，包括電動車。在牽引逆變器、車載充電器和高壓 DC-DC 轉換器(HV-DCDC)方面，此優勢更為明顯。從整車的角度看待效率，將輔助和最佳化晶片組納入考量，其中包括微控制器、感測器、閘極驅動器和電源開關，以及汽車整合和週邊功能。目前的牽引逆變器效率良好，超越98%。因此，電動車動力系統創新的重點轉向馬達、齒輪箱和冷卻系統的升級。
現行開發作業的優先焦點是效率最佳化，其中關鍵的推動因子在於，新一代牽引逆變器將依靠全新電源切換技術及先進微控制器的能力(圖4)。成本雖然仍是重點，但效能、可製造性和整合等考量也非常重要。
牽引逆變器的效率主要取決於切換裝置，例如 MOSFET 和 IGBT，以及其中的二極體。這兩種材料(SiC和GaN)就是所謂的寬能隙材料，因為電子遷移率較高，可確實提升效能。許多工程師認為，電源系統未來實現高效能要求的關鍵就是寬能隙半導體，尤其是裝設位置特別嚴苛的驅動裝置轉換器。SiC 切換裝置可提升效能，可解決汽車設計中的兩大功率損耗原因。第一是傳導損耗，汲極和源極的電阻(RDS(ON))降低，可減少損耗，並盡可能減少發熱。在致動和發電機模式期間，SiC和GaN開關皆可讓電流流過通道，但不會經過二極體，這個特性相當重要。
第二類是切換損耗，其影響不下傳導損耗，因此同等重要。隨著切換頻率上升的趨勢浮現(最高目標為 40 kHz)，每次切換的損耗必須盡可能降低。運用SiC或GaN技術，切換速度最高可達 40 V/ns，進而降低損耗。目前最先進的技術可實現約10 V/ns，在 GaN的加持下仍有進步空間。然而，應用本身就會帶來特定限制，例如牽引馬達和EMC的限制，因此必須尋找折衷方案。
GaN和SiC在應用解決方案內的優勢相當顯著，不過這取決於個別使用案例。SiC技術的優勢來自材料本身的能隙。SiC不只電子遷移率高，關鍵的崩潰電壓也高於矽材。因此，SiC 裝置可縮短通道長度，縮小設計尺寸，降低特定額定電壓下的導通電阻。晶片較小也能降低裝置每個週期都會充放電的電容，大幅減少切換損耗，
GaN優於SiC之處在於能隙更大(3.4 eV)、電子遷移率更高。GaN裝置的閘極電荷僅矽裝置的十分之一，因此恢復電荷幾乎可忽略。這些特性讓GaN裝置的切換損耗大幅降低。因此，GaN解決方案能夠以極高的頻率運作，最高可達約10 MHz。由於上述優勢，GaN成為諧振拓撲的理想選擇。
SiC/GaN最佳化傳動系統效率 實現EV節能設計(1)
