在 EnerConnect 项目中，Fraunhofer IZM 的研究人员正在测试双向阻断氮化镓 (GaN) 晶体管，以设计一个可与下一代有源转换器和整流器一起使用的系统。创新的硬件消除了对单独转换阶段的需求，并可实现创纪录的 99% 效率。

在自家车库里为电动汽车充电是可能的——理论上。与商用快速充电器相比，这仍然是一个低效的选择：当来自家用插座的交流电转换为电动汽车所需的直流电时，转换过程中会损失大量电力。即使是许多电动汽车车主拥有的现代壁挂式充电箱也无法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，生产出了一种具有创新型双向阻断 GaN 晶体管的系统。

这些晶体管在功率密度和效率方面带来了巨大的优势，并有望使使用普通家用插座为电动汽车充电的效率更高。

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)已经利用了氮化镓 (GaN) 或碳化硅(SiC) 半导体的功能，它们可以在更小、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，当前的系统只能将电压锁定在一个方向上。它们具有两个栅极结构，可以处理负电压和正电压，这使得新的开关架构对于公共电网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结构在电力电子领域从未发挥过多大作用，因为使用传统元件会过于复杂。该系统称为降压-升压转换器，可在较高或较低的输入电压下工作。关键在于双向阻断晶体管，它可以充分利用这种设计的所有优势。

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将允许电压更低，从而减少晶体管的开关损耗。

该系统还允许包含转换阶段：通常，整流器需要两个单独的组件，以便首先增加输入电压，然后将其降低回目标电池电压。使用双向阻断 GaN 晶体管意味着这两个步骤可以在单个转换阶段中简化，这又通过避免不必要的材料和降低系统成本来提高效率。

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将上升到接近 99%，同时新架构还可以提高开关频率和功率密度。研究人员正在努力实现 300 kHz 的目标开关频率，这将使功率密度上升到每升 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，需要尽可能小。EnerConnect 项目的一个目标是优化电路以用于公共电网，以便即使从普通家用插座也能快速为电动汽车充电。

该电路拓扑结构允许电流双向移动，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和柏林工业大学运行。