使用SiC器件在牽引應用中提高效率

牽引應用中使用的半導體開關(guān)是實現(xiàn)高效率的關(guān)鍵部件。最新的半導體技術(shù)允許高開關(guān)頻率，并且在大多數(shù)其他功率轉(zhuǎn)換應用中，這會帶來更小的磁性元件的好處，并與一些額外的開關(guān)損耗進行權(quán)衡。然而，在驅(qū)動逆變器中，磁性元件是電機，其尺寸適合扭矩和功率。低開關(guān)頻率的更高效率通常比其他因素更重要。因此，開關(guān)頻率約為 10 kHz 的IGBT已被廣泛使用，它們具有堅固性、低傳導損耗和相當?shù)偷膭討B(tài)損耗的良好記錄。

從 IGBT 繼續(xù)前進

效率目標變得越來越嚴格，這是可以理解的——每一個百分點的增長都構(gòu)成了更小的尺寸、重量和成本以及更長的續(xù)駛里程的良性循環(huán)的一部分。使用 IGBT 實現(xiàn)的 98% 左右的數(shù)字是可信的，但存在進一步改進的壓力。殘余開關(guān)損耗可以通過使用硅或碳化硅 MOSFET 來降低，但從歷史上看，它們在高功率水平下比 IGBT 具有更高的傳導損耗。這源于它們的導通電阻、與電流平方成比例的耗散功率。IGBT 具有相對固定的飽和電壓，因此在高功率時存在一個交叉點，此時 IGBT 仍占優(yōu)勢?？陀^地說，在 500 A 時，MOSFET 在工作結(jié)溫下需要大約 3 mΩ 的導通電阻，以實現(xiàn)與 IGBT 相當?shù)膫鲗p耗。在 EV 牽引應用中，器件需要 650 至 750 V 的額定電壓，而在這些電壓下，使用單個 Si 或 SiC MOSFET 器件尚未實現(xiàn)導通電阻。并聯(lián) MOSFET 是一種解決方案，但隨后成本和復雜性呈螺旋式上升。

為了實現(xiàn)最低的傳導損耗，可以考慮使用 UnitedSiC FET — SiC JFET 和 Si MOSFET 的級聯(lián)組合。鑒于傳導損耗在電機驅(qū)動器中占主導地位，并且功率半導體的價格通常與總芯片面積成正比，開關(guān)性能的一個有用的比較衡量標準是品質(zhì)因數(shù)R DS × A。這是特定電壓等級的導通電阻和芯片面積的乘積。UnitedSiC FET 具有最佳R DS × A跨越當前技術(shù)，包括寬帶隙類型。與 UnitedSiC MOSFET 或氮化鎵 FET 一樣，本征二極管的低反向恢復能量消除了對基于 IGBT 的電機驅(qū)動器的外部反并聯(lián)二極管的需求，從而進一步節(jié)省了成本。UnitedSiC FET 還可以與超結(jié) Si MOSFET、SiC MOSFET 和 GaN HEMT 競爭，如圖 1所示，該圖比較了R DS × A與額定擊穿電壓。

圖 1：開關(guān)技術(shù)的品質(zhì)因數(shù) R DS × A 與額定電壓 的比較

如圖所示，從歷史上看，硅器件具有性能限制，而超結(jié)技術(shù)可以克服這一限制。圖表中 4H-SiC 的限制在未來很可能會被類似的技術(shù)超越。如今，UnitedSiC 提供的“第 4 代”級聯(lián) FET 明顯領(lǐng)先于競爭技術(shù)，即使在制造方面取得進步，這一領(lǐng)先地位仍將保持，因為 UnitedSiC FET 是基于 JFET 的，在 SiC 上沒有 MOS 柵極，這是主要的R DS × A優(yōu)勢的原因。低R DS × A的好處降低了成本和開關(guān)損耗。UnitedSiC FET 的優(yōu)勢繼續(xù)體現(xiàn)在雪崩和短路耐受額定值上，這在許多牽引應用中至關(guān)重要。SiC 上沒有 MOS 柵極消除了參數(shù)隨溫度和電壓以及高反向電流的變化。

現(xiàn)實生活中的結(jié)果

為了展示 UnitedSiC FET 與 IGBT 相比的優(yōu)勢，表 1顯示了具有 500 VDC 總線的 200 kW、兩電平電壓源牽引逆變器的半導體損耗。兩種器件類型的頻率均為 8 kHz，總器件占位面積大致相同，采用 IGBT 加二極管模塊與采用 TO-247 封裝的八個并聯(lián) UnitedSiC FET 相比。在滿載時，UnitedSiC FET 的總損耗為 1.3 kW，與 4 kW 的 IGBT 相比，降低了 3.1 倍。在 EV 運行常見的較輕負載下，降低幅度更大，為 5 倍至 6 倍。此外，UnitedSiC FET 柵極驅(qū)動損耗低于 IGBT，進一步提高了輕負載效率。

表 1：200 kW 牽引逆變器中 IGBT 和 UnitedSiC FET 損耗的比較

在比較 SiC MOSFET 和 UnitedSiC Gen4 FET 時，一個明顯的優(yōu)勢是后者的 750V 額定值與更常見的 650V 額定值 SiC MOSFET 形成對比，在高電池組電壓下保留了重要的設計余量。表 2將 UnitedSiC Gen4 11-mΩ FET 與競爭的 Gen2 和 Gen3 SiC MOSFET 在具有 350-VDC 總線的 200-kW 牽引逆變器中進行比較。開關(guān)頻率相同，并且在三種技術(shù)中選擇了并聯(lián)器件的數(shù)量，以提供大致相同的損耗和結(jié)溫升高。在這些條件下，UnitedSiC FET 只需要 Gen2 SiC MOSFET 解決方案總芯片面積的 60% 左右，不到 Gen3 SiC MOSFET 的 50%，從而帶來成本和外形尺寸優(yōu)勢。或者，對于給定的芯片面積，UnitedSiC FET 具有更低的損耗。

表 2：UnitedSiC FET 和 SiC MOSFET 在 200 kW 牽引逆變器中的比較

SiC JFET 也可以發(fā)揮作用

通常選擇UnitedSiC場效應管是因為共源共柵排列提供了熟悉的正?！瓣P(guān)”特性。然而，通?！伴_啟”的SiC JFET可用于逆變器的低壓側(cè)（或高壓側(cè)）開關(guān)位置。

JFET的基本特性如圖2所示，取自5-mΩ750-V部件的UnitedSiC數(shù)據(jù)。由于省略了串聯(lián)低壓硅MOSFET，導通電阻低于等效的UnitedSiC FET。左側(cè)顯示了與溫度相關(guān)的正向特性，器件在VGS=0和2時導通?五、 增加JFET VG進一步增強JFET溝道并降低導通電阻。如果不超過柵源p-n結(jié)“拐點”電壓，則少數(shù)載流子注入可以忽略不計，在25?馬進了大門，范圍從2.5到2.0左右?對于UnitedSiC Gen4 750-V JFET，分別在25?C至175?C下。VGS=2時?五、 與VGS=0相比，RDS（on）提高了約10%?五、
圖2中的中間圖像顯示了設備阻塞VG≈ –10?V，泄漏電流最小。右圖顯示了反向傳導的第三象限“換向”操作，顯示了依賴于負VGS值的壓降。通道應使用VG增強?=?≥最小死區(qū)時間后為0，以最小化反向電流流動的傳導損耗。

圖2:SiC JFET的特性（UnitedSiC UJ4N075005K3S）

SiC JFET 的導通電阻比具有相同 JFET 的級聯(lián)電阻低約 9%，這是一個明顯的優(yōu)勢。在低側(cè)開關(guān)位置（圖 3），通?！皩ā钡?JFET 特性也可以帶來好處。如果控制電源發(fā)生故障，所有低側(cè)開關(guān)自然打開，使電機繞組短路，從而為感應電機創(chuàng)造故障安全條件。電機不能向電池組產(chǎn)生不受控制的扭矩和功率。使用通?！瓣P(guān)閉”的高邊開關(guān)可防止擊穿。

圖 3：作為電機驅(qū)動器中低側(cè)開關(guān)的 SiC JFET

另一個可能的好處是使用 JFET 柵源 pn 結(jié)作為溫度敏感參數(shù)。如果使用固定的正偏置電流（例如 10 mA）驅(qū)動 SiC JFET 柵極，則生成的柵極-源極電壓會隨芯片溫度線性變化。這可用于快速反應過熱檢測和性能監(jiān)控。

UnitedSiC FET 和 JFET 可實現(xiàn)所需的效率提升

牽引逆變器驅(qū)動器中的 UnitedSiC FET 可顯著提高效率，如果將 SiC JFET 用于低側(cè)開關(guān)位置，則可進一步提高效率。這還提供了故障安全操作和簡單的溫度監(jiān)控等寶貴的附帶好處。UnitedSiC（現(xiàn)為 Qorvo）可以提供一系列具有導通電阻和封裝選項的部件，以實現(xiàn)最佳的成本效益解決方案。其在線 FET-Jet Calculator 工具可以輕松選擇適用于一系列 AC/DC 和 DC/DC 拓撲的器件，并針對所選散熱器性能即時計算效率、損耗和溫升。

審核編輯：郭婷