SiC FET基礎(chǔ)知識以及技術(shù)原理

摘要

寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體正在包括電動汽車（EV）在內(nèi)的各種功率轉(zhuǎn)換中得到應(yīng)用，憑借其更高的效率和更快的切換速度，可以節(jié)省成本、尺寸和能耗。WBG器件通常用于充電器和輔助轉(zhuǎn)換器，但還尚未在牽引逆變器中大量取代IGBT。本文介紹了最新一代SiCFET如何能夠理想地適用于新型逆變器設(shè)計，其損耗低于IGBT，并且即使在高溫和多次的應(yīng)力下也具有非常高的系統(tǒng)短路可靠性。

1900年美國38％的汽車是電動汽車

是的，你 沒有看錯，這是事實上[1]。在1900年美國所有的汽車中，38％（33,842臺）是由電力驅(qū)動，40％由蒸汽驅(qū)動，22％由汽油驅(qū)動。但是，在亨利?福特（Henry Ford）大規(guī)模生產(chǎn)廉價的汽油動力汽車時，電動汽車的百分比急劇下降。如今，道路上行駛的電動汽車百分比不到1％，但據(jù)預(yù)測，到2050年，美國65％～75％的輕型汽車將由電力驅(qū)動[2]。

自1997年豐田普銳斯在日本推出以來，現(xiàn)代電動汽車已經(jīng)大幅改進(jìn)。目前，先進(jìn)的電池和電機(jī)技術(shù)可以提供300英里甚至更多的續(xù)航里程。針對2050年電動汽車市場增長的預(yù)測依賴于某些假設(shè)：購買可承受性，持續(xù)的高油價，更嚴(yán)格的健康和環(huán)境法規(guī)，以及技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及更遠(yuǎn)的續(xù)航里程和更快的充電。

從電池能量到車輪動力，EV具有大約為59％-62％的轉(zhuǎn)換效率，這似乎還有一些改進(jìn)的余地。電氣工程師可能會大吃一驚，因為現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)正在努力達(dá)到21％的效率。但至少有一個可能的路線圖能夠提高電動汽車的性能，就是采用新的半導(dǎo)體開關(guān)用于動力傳動系統(tǒng)。

要實現(xiàn)更高的效率，關(guān)鍵是功率轉(zhuǎn)換效率。這不僅僅體現(xiàn)在電機(jī)驅(qū)動的電子設(shè)備中，在照明、空調(diào)甚至信息娛樂系統(tǒng)等輔助功能系統(tǒng)中會使用大量能源。因此，已經(jīng)通過各種措施來減少這些應(yīng)用中消耗的能量，例如使用LED來照明等等。通常需要將主電池電壓從400 V降至12 V或24 V，用于降壓的各種電源轉(zhuǎn)換器現(xiàn)在可以采用最新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特殊的半導(dǎo)體技術(shù)，以實現(xiàn)最佳效率，同時對于非安全關(guān)鍵應(yīng)用，新技術(shù)帶來的一些風(fēng)險完全可以接受。（圖1）

圖1：電動汽車中的功率轉(zhuǎn)換部件。（圖片來源：美國能源部）

對于動力傳動系統(tǒng)而言，電機(jī)控制電子設(shè)備被視為對生命至關(guān)重要，因此設(shè)計人員必須遵守“安全第一”的原則，并需要采用經(jīng)過不斷試驗和測試的技術(shù)。實際上，這也意味著IGBT開關(guān)在過去30多年中已經(jīng)證明其穩(wěn)健性。例如，在特斯拉S型高科技外觀下面，是用于控制牽引電機(jī)的66個TO-247封裝IGBT。在20世紀(jì)80年代的工業(yè)過程控制器中，同樣的IGBT應(yīng)用也非常普遍。只有較新的車型剛剛開始使用SiC FET。

寬帶隙半導(dǎo)體目前是電機(jī)控制的強(qiáng)有力競爭者

但在許多現(xiàn)代最新的應(yīng)用中，IGBT已經(jīng)被更新的技術(shù)所取代，例如硅MOSFET和現(xiàn)在采用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料制造的寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體。寬帶隙半導(dǎo)體的突出優(yōu)勢是更快的切換速度，意味著可使用體積更小的磁性元件和電容器等外部組件。這種組合能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率、更小的尺寸和重量，從而降低總體成本。 WBG器件也可在高溫下工作，對于SiC而言通常為200℃，峰值溫度允許超過600℃，具體取決于器件。

SiC FET基礎(chǔ)知識以及技術(shù)原理

一種特定類型的WBG器件是SiC FET，它是SiC JFET和Si MOSFET的復(fù)合體或“共源共柵（級聯(lián)）”，其通常設(shè)置為OFF，沒有偏壓，并可在納秒級內(nèi)切換。與SiC MOSFET和GaN器件相比，它非常易于驅(qū)動，其品質(zhì)因數(shù)RDSA與芯片面積歸一化的導(dǎo)通電阻（ON-resistance）非常出色（圖2）。這種器件由于采用垂直架構(gòu)，具有極低的內(nèi)部電容，使開關(guān)轉(zhuǎn)換損耗極低。 SiC FET擁有非常快的體二極管，可減少電機(jī)驅(qū)動等應(yīng)用中的損耗，并且不需要使用外部SiC肖特基二極管。

圖2：SiC FET（共源共柵）RDSA：通過芯片面積比較歸一化導(dǎo)通電阻。

用于電動汽車動力系統(tǒng)的SiC FET

那么，面對市場對于更高性能解決方案的巨大需求，為什么這些神奇的器件還沒有應(yīng)用于EV電機(jī)控制呢？除了汽車系統(tǒng)設(shè)計師比較保守的本性之外，還有一些實際的原因：與具有類似額定值的IGBT相比，WBG器件被認(rèn)為比較昂貴；電機(jī)電感不會像DC-DC轉(zhuǎn)換器那樣按比例縮小，從而使用更高的開關(guān)頻率沒有太大吸引力；高開關(guān)速度意味著高dV / dt率，可以使電機(jī)繞組的絕緣面臨更大壓力。此外，在通常比較惡劣的電機(jī)驅(qū)動條件下，人們對于WBG器件的可靠性也存在一些疑問，有可能在一般高溫環(huán)境下產(chǎn)生潛在的短路和反電動勢（back-EMFs）。

WBG器件真正的誘惑是其可能的高效率，這意味著更多的可用能量和更遠(yuǎn)的續(xù)航里程。散熱器可以做得更小，從而降低成本和重量，這又有助于擴(kuò)大續(xù)航里程。與具有“拐點”電壓的IGBT相比，在典型工作條件下WBG器件的效率得到明顯改善，從而能夠在所有驅(qū)動條件下都可實現(xiàn)最小的功率損耗。如下圖3所示，我們使用200A、1200V IGBT模塊與兩個1cmX1cm IGBT芯片或200A、1200V SiC FET模塊以及兩個0.6 X 0.6cm SiC堆疊共源共柵芯片進(jìn)行比較。

圖3：使用36％IGBT芯片面積的1200V SiC FET的傳導(dǎo)損耗。在室溫和高溫下，對于所有低于200A的電流，這個200A、1200V模塊 SiC FET的導(dǎo)通壓降遠(yuǎn)低于IGBT壓降。

在給定的模塊占位面積下，SiC FET具有最低的傳導(dǎo)損耗。通過全新的設(shè)計，WBG電機(jī)驅(qū)動器能夠以比IGBT更高的頻率切換，并且設(shè)計有足夠的EMI控制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)WBG的所有優(yōu)勢。放眼未來，即使成本也不應(yīng)成為問題。例如，SiC FET芯片比同等額定值的IGBT或SiC MOSFET要小很多，這意味著每個晶圓的良率和產(chǎn)量更高，如果考慮到由更小散熱器和濾波器節(jié)省的成本，SiC FET已經(jīng)開始具有良好的經(jīng)濟(jì)和實用意義。

SiC FET經(jīng)過驗證的可靠性

我們現(xiàn)在考慮一下WBG器件的可靠性，這對于某些WBG器件來說非常有效。例如，SiC MOSFET和GaN器件對柵極電壓極其敏感，絕對最大值非常接近推薦的工作條件。但另一方面，SiC FET則能容許寬范圍的柵極電壓，絕對最大值具有較寬的裕量。

短路額定值可能是EV電機(jī)驅(qū)動器面對的最主要問題，而IGBT是穩(wěn)健性的基準(zhǔn)。當(dāng)然，GaN器件在這方面的確表現(xiàn)不佳，但SiC FET卻表現(xiàn)不凡。在內(nèi)建JFET器件的垂直溝道中存在一種自然的“夾斷（pinch-off）”機(jī)制，與SiC MOSFET或IGBT不同，它可以限制電流并使短路柵極驅(qū)動電壓不受影響。SiC JFET具備的高峰值溫度也可容許更長的短路持續(xù)時間。在汽車應(yīng)用中，一般要求在保護(hù)機(jī)制啟動之前，短路應(yīng)承受5μs的考驗。UnitedSiC公司的650 V SiC FET測試結(jié)果顯示，采用400 V DC總線至少可承受8μs（圖4），在經(jīng)歷100次短路事件和高溫后，導(dǎo)通電阻或柵極閾值無降級現(xiàn)象發(fā)生。

圖4：SiC FET的短路性能。

電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中產(chǎn)生的另一個應(yīng)力是來自電機(jī)的反電動勢。同樣，GaN并不能夠抵抗這些，但SiC FET具有非常好的雪崩額定值，在其柵極漏極結(jié)斷開時，內(nèi)部JFET導(dǎo)通鉗位電壓。UnitedSiC進(jìn)行的更多測試表明，SiC FET部件在150℃下雪崩1000小時無故障出現(xiàn)[3]，作為一種輔助支持，雪崩能力100％進(jìn)行生產(chǎn)測試。

令人信服的應(yīng)用案例

UnitedSiC的SiC FET等當(dāng)代WBG器件是下一代EV電機(jī)驅(qū)動器的真正強(qiáng)有力競爭者，能夠在這種苛刻汽車環(huán)境下提供更好的性能、更低的總體成本、以及經(jīng)過驗證的可靠運(yùn)行。因此，預(yù)計未來十年碳化硅器件將成為動力傳動系統(tǒng)的主導(dǎo)技術(shù)。