電動(dòng)汽車中的SiC半導(dǎo)體

電子產(chǎn)品節(jié)能的呼吁可能很難與電子產(chǎn)品節(jié)能的呼聲聯(lián)系起來，因?yàn)檫@意味著您的電費(fèi)只需減少幾美分或?qū)p少全球 CO 2排放量的貢獻(xiàn)很小，但是當(dāng)電動(dòng)汽車的效率更高時(shí)，效果更明顯——更好的射程、更輕的重量和更低的運(yùn)行成本?，F(xiàn)在，汽車電池和電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步使它們變得可行，以至于一些國家/地區(qū)將禁止銷售內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車輛1并且大多數(shù)新車開發(fā)都集中在電動(dòng)汽車及其動(dòng)力系統(tǒng)上。

尋找完美的開關(guān)

電動(dòng)汽車裝有需要電力的電子設(shè)備，從牽引逆變器到車載充電器和輔助電源。在所有情況下，為了實(shí)現(xiàn)高效率，開關(guān)模式技術(shù)都用于產(chǎn)生電壓軌，依賴于在高頻下工作的半導(dǎo)體。該應(yīng)用的理想開關(guān)在開啟時(shí)電阻接近零，關(guān)閉時(shí)無泄漏，并且擊穿電壓高（圖 1）。當(dāng)它在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)該有很小的瞬態(tài)功耗，并且任何殘余損耗都應(yīng)該導(dǎo)致最小的開關(guān)溫升。多年來，已經(jīng)引入了性能越來越接近理想的半導(dǎo)體技術(shù)，但期望也發(fā)生了變化，并且繼續(xù)尋找完美的開關(guān)。

圖 1：理想的開關(guān)

理想開關(guān)的候選人

當(dāng)今的開關(guān)選擇多種多樣：IGBT 因其低傳導(dǎo)損耗而在非常高的功率下受到青睞，而 MOSFET 在中低功率下占主導(dǎo)地位，其快速開關(guān)可最大限度地減少相關(guān)組件的尺寸和成本，尤其是磁性元件。MOSFET 傳統(tǒng)上使用硅技術(shù)，但現(xiàn)在可以使用碳化硅，因?yàn)樗哂械蛣?dòng)態(tài)和傳導(dǎo)損耗以及高溫操作的特殊優(yōu)勢。它離那個(gè)難以捉摸的理想開關(guān)更近了一步，但還有另一種更好的方法——SiC JFET 與采用共源共柵排列的低壓硅 MOSFET 共同封裝，統(tǒng)稱為“SiC FET”。簡而言之，Si MOSFET 提供了一種簡單、非關(guān)鍵的柵極驅(qū)動(dòng)，同時(shí)將常開 JFET 轉(zhuǎn)變?yōu)槌ｊP(guān)共源共柵，與 Si 或 SiC MOSFET 相比具有一系列優(yōu)勢。

圖 2：IGBT、SiC MOSFET 和 SiC JFET 結(jié)構(gòu)（1,200-V 級）

從圖 2 可以清楚地看出，MOSFET 或 JFET 中更高的 SiC 臨界擊穿電壓允許更薄的漂移層，約為 IGBT 中硅的十分之一，并具有相應(yīng)的更低電阻。硅 IGBT 通過在較厚的漂移層中注入大量載流子來實(shí)現(xiàn)其低電阻，這會(huì)導(dǎo)致 100 倍的存儲(chǔ)電荷，這些電荷必須在每個(gè)開關(guān)周期中從漂移層中掃入掃出。這導(dǎo)致相對較高的開關(guān)損耗和顯著的柵極驅(qū)動(dòng)功率要求。SiC MOSFET 和 JFET 是單極器件，其中電荷移動(dòng)只是進(jìn)出器件電容，因此動(dòng)態(tài)損耗要低得多。

現(xiàn)在將 SiC FET 與 SiC MOSFET 進(jìn)行比較，溝道中的電子遷移率要好得多，SiC FET 在相同電阻下允許更小的芯片，因此具有更低的電容和更快的開關(guān)或更低的導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) )相同的芯片面積 A。因此，A 是一個(gè)關(guān)鍵的衡量標(biāo)準(zhǔn)，它表明對于給定的性能，每個(gè)晶片可能有更多的芯片，因此可以節(jié)省成本或降低給定芯片面積的傳導(dǎo)損耗。C OSS量化了導(dǎo)通電阻和輸出電容之間的相互作用，在給定的額定電壓下進(jìn)行權(quán)衡，以提供或多或少的開關(guān)損耗。

在所有其他條件相同的情況下，每個(gè)晶片更多芯片和更快切換的雙贏局面因現(xiàn)在需要從更小區(qū)域散熱而有所緩和。SiC 的熱導(dǎo)率是硅的 3 倍，這很有幫助，而且它還能夠在更高的平均溫度和峰值溫度下工作，但為了利用這些優(yōu)勢，最新一代的 SiC FET“GEN 4”具有晶圓減薄功能降低其電阻和熱阻，并采用銀燒結(jié)芯片連接，其導(dǎo)熱性比焊料好 6 倍——最終的效果是提高了可靠性，因?yàn)榻Y(jié)溫低，絕對最大值有很大的余量。

與 SiC MOSFET 相比，SiC FET 的優(yōu)勢是廣泛的，并且取決于應(yīng)用，但可以在關(guān)鍵 FOM 和特性的雷達(dá)圖中進(jìn)行總結(jié)（圖 3）。

圖 3：SiC FET 在不同應(yīng)用中的優(yōu)勢。圖表根據(jù) UnitedSiC 的 GEN 4 SiC FET 的特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

這些圖已根據(jù) UnitedSiC GEN 4 SiC FET 的特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在高溫和低溫下的各個(gè)方面都表現(xiàn)出卓越的性能。

實(shí)際結(jié)果證實(shí)了 SiC FET 的承諾

UnitedSiC 已經(jīng)證明了 SiC FET 的有效性，其圖騰柱 PFC 級設(shè)計(jì)在具有“硬”開關(guān)的連續(xù)導(dǎo)通模式下工作，這將是 EV 車載充電器前端的典型特征。該轉(zhuǎn)換器的額定功率為 3.6 kW，輸入為 85 至 264-VAC，輸出為 390-VDC，使用 18-mΩ 或 TO-247-4L 封裝中的 60-mΩ GEN 4 SiC FET，開關(guān)頻率為 60 kHz。系統(tǒng)效率曲線如圖 4 所示，在 230 VAC 時(shí)達(dá)到 99.37% 的峰值，一個(gè) 18mΩ SiC FET 用于高頻、高側(cè)和低側(cè)開關(guān)位置。在 3.6 kW 的全功率輸出下，這些 SiC FET 的總功耗僅為 16 W 或 0.44% 的低效率，需要最少的散熱。

圖 4：圖騰柱 PFC 級使用 SiC FET 可實(shí)現(xiàn) 99.37% 的效率。

在電動(dòng)汽車中，還有一個(gè)下變頻級，可將牽引電池電壓隔離至 12 V，通常使用 LLC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，這是目前實(shí)現(xiàn)高效率的首選拓?fù)洹LC 轉(zhuǎn)換器以高頻諧振切換以獲得最佳性能，而 SiC FET 再次是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在 3.6 kW 下，以 500 kHz 切換，一對 GEN 4 750-V 18-mΩ MOSFET 的功耗低于 6.5 W，每個(gè)都包括傳導(dǎo)、開關(guān)和體二極管損耗。

牽引逆變器是可以節(jié)省最多功率的地方，而 SiC FET 可以取代 IGBT，從而真正提高效率。開關(guān)頻率通常保持在 8 kHz 的低水平，即使使用 SiC 器件也是如此，因?yàn)榇判栽?a target="_blank">電機(jī)，它不會(huì)隨著逆變器開關(guān)頻率的增加而直接縮小尺寸。為了實(shí)現(xiàn)顯著的增益，單個(gè) IGBT 及其并聯(lián)二極管可以替換為，例如，六個(gè)并聯(lián)的 6mΩ SiC FET，在 200kW 輸出時(shí)半導(dǎo)體效率提高 1.6%，達(dá)到 99.36%，代表超過 3 倍的切入功率損失或 3 kW。在較輕的負(fù)載下，車輛更常見地運(yùn)行，改進(jìn)更好，與 IGBT 技術(shù)相比，損耗低 5 到 6 倍——所有這些都具有更低的柵極驅(qū)動(dòng)功率和沒有“拐點(diǎn)”電壓的優(yōu)點(diǎn)，可以更好地控制在輕負(fù)載。降低損失，

我們達(dá)到完美了嗎？

? ? ?沒有半導(dǎo)體制造商敢聲稱他們的開關(guān)是完美的，但現(xiàn)在電源轉(zhuǎn)換效率已降至小數(shù)點(diǎn)以上 99%，我們離我們越來越近了。SiC FET 實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，您可以使用 UnitedSiC 網(wǎng)站上的 SiC FET-JET 計(jì)算器工具2親自嘗試，該工具可計(jì)算各種 AC/DC 和 DC/DC 拓?fù)涞膿p耗。

　　審核編輯：湯梓紅