由第三代 SIC MOSFET 供電的電動汽車和工業(yè)應(yīng)用

意法半導(dǎo)體最近推出了第三代 STPOWER 碳化硅 (SiC) MOSFET，針對先進的功率應(yīng)用（例如 EV 動力系統(tǒng)）和其他功率密度、能效和可靠性是相關(guān)關(guān)鍵因素的應(yīng)用。

向電動汽車的過渡和內(nèi)燃機的逐步替代正在推動制造越來越高效的電動汽車 (EV) 的競賽。對于這些應(yīng)用，電力電子設(shè)備發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，可以實現(xiàn)更高效的逆變器、轉(zhuǎn)換器、動力系統(tǒng)和車載充電器。電動汽車以及電動汽車充電站、工業(yè)驅(qū)動、數(shù)據(jù)中心電源、能源生產(chǎn)和存儲等許多工業(yè)應(yīng)用中使用的功率器件必須滿足與功率損耗、擊穿電壓、開關(guān)頻率、最高工作溫度相關(guān)的特定要求, 和熱導(dǎo)率。

盡管硅基功率器件多年來已廣泛應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域，但它們?nèi)源嬖谝恍┲匾木窒扌裕ǖ蛶赌芰?、有限的開關(guān)頻率和低熱導(dǎo)率。寬帶隙器件 (WBG)，例如碳化硅，提供更大的帶隙、更高的擊穿電壓和更好的熱管理。因此，WBG 正在取代高壓、高開關(guān)頻率和高溫應(yīng)用中的硅器件。

適用于電動汽車市場的ST 第 3代SiC MOSFET

隨著電動汽車市場的加速發(fā)展，汽車制造商需要更高電壓（例如 800V）的驅(qū)動系統(tǒng)，以減少充電時間和電動汽車整體重量，這反過來意味著更長的行駛里程。ST第三代 STPOWER SiC MOSFET 專為滿足高端汽車應(yīng)用的要求而設(shè)計，包括電動汽車牽引逆變器、車載充電器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（見圖 1）。

新的基于 SiC 的器件也適用于工業(yè)應(yīng)用。在這些方面，它們可以提高電機驅(qū)動器、可再生能源轉(zhuǎn)換器和存儲系統(tǒng)以及電信和數(shù)據(jù)中心電源的效率。

ST 最新的 STPOWER SiC MOSFET 為表示晶體管效率、功率密度和開關(guān)性能的公認(rèn)品質(zhì)因數(shù) (FoM) 設(shè)定了行業(yè)領(lǐng)先基準(zhǔn)。

“今年，我們開始生產(chǎn)我們的第三代 STPOWER SiC MOSFET，與第二代產(chǎn)品相比，它提供了一系列顯著改進，以滿足我們客戶日益苛刻的要求，”戰(zhàn)略營銷經(jīng)理 Filippo Di Giovanni 說， STMicroelectronics 的功率晶體管宏觀部門。

在這些改進中：導(dǎo)通電阻 (Ron) x die size FoM 提高了 30%，而 Ron x 柵極電荷 (Qg) FoM平均提高了 50%。

新器件將提供從 650V 和 750V 到高達 1200V 的標(biāo)稱額定電壓，其中 900V 作為中間步驟，為設(shè)計人員提供了解決使用普通 AC 線路電壓運行的應(yīng)用所需的靈活性，直至使用高壓 EV 電池和充電器。750V 電壓變體提供了額外的電壓裕度，并首次推出，以響應(yīng)來自客戶的精確要求。

“從歷史上看，為 IGBT 引入了 750V 電壓變體。由于碳化硅 MOSFET 可以在更高效的應(yīng)用中替代 IGBT，因此我們提供了一個額外的電壓選項，可以在不影響最大電壓要求的情況下提高系統(tǒng)性能，”Di Giovanni 說。

圖 2 更詳細(xì)地顯示了 SiC MOSFET 如何在 EV 應(yīng)用中有效替代 IGBT 和 Si MOSFET。

圖 2：在 EV 中用基于 SiC 的器件替代硅（來源：ST）

與其硅替代品相比，SiC MOSFET 的額定電壓相對于其裸片尺寸而言具有更高的額定電壓，這使得這些器件成為 EV 應(yīng)用和快速充電 EV 基礎(chǔ)設(shè)施的絕佳選擇。此外，它們還受益于一個非常快速的本征二極管，該二極管可提供汽車車載充電器 (OBC) 所需的雙向特性，用于車輛到一切 (V2X) 功率流，允許將電力從 OBC 電池傳輸?shù)交A(chǔ)設(shè)施。此外，碳化硅支持更高的開關(guān)頻率，允許在電力系統(tǒng)中使用更小的無源元件，并在車輛中使用更緊湊和更輕便的電氣設(shè)備。

“得益于我們專有的平面技術(shù)，我們的成就和改進得以實現(xiàn)，該技術(shù)仍然有助于進一步改進?？赡艿?。事實上，我們?nèi)栽诶^續(xù)我們的路線圖，并預(yù)計能夠在幾年內(nèi)推出第四次平面迭代，”Di Giovanni 說。

在 ST，工程師們還開始利用 ST 在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的長期知識和專長，對新結(jié)構(gòu)進行高級仿真。他們正處于起步階段，仍在忙于改進平面結(jié)構(gòu)，他們認(rèn)為這是解決問題的最佳方法之一。制造碳化硅 MOSFET。

ST將提供不同形式的第三代器件，包括裸片、STPAK、H2PAK-7L、HiP247-4L和HU3PAK等分立電源封裝以及ACEPACK系列的電源模塊。這些封裝還提供創(chuàng)新的設(shè)計功能，例如專門放置的冷卻片，可簡化與 EV 應(yīng)用中的基板和散熱器的連接。這些選項為設(shè)計人員提供了針對電動汽車主牽引逆變器、車載充電器 (OBC)、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、電子氣候壓縮機等應(yīng)用以及太陽能逆變器、儲能系統(tǒng)、電機驅(qū)動等工業(yè)應(yīng)用進一步優(yōu)化的選擇和電源。

關(guān)于應(yīng)用，Di Giovanni 認(rèn)為最大的市場仍將是電動汽車。就數(shù)量而言，他認(rèn)為即使公司已經(jīng)開始服務(wù)于高端工業(yè)市場，汽車行業(yè)仍將帶動碳化硅的產(chǎn)能。ST 于 2014 年開始生產(chǎn)其首款 1200V SiC MOSFET 時，主要針對太陽能逆變器市場。然后，他們勇敢地決定將這項全新的技術(shù)用于新興的電動汽車市場，使 ST 成為該技術(shù)無可爭議的市場領(lǐng)導(dǎo)者。

“在汽車應(yīng)用的惡劣和惡劣環(huán)境中測試和調(diào)試了這項技術(shù)之后，我們可以安全地將這項技術(shù)推薦給任何其他市場，包括工業(yè)市場，”Di Giovanni 說。

為了滿足不斷增長的需求，ST 正在擴大其碳化硅 MOSFET 的生產(chǎn)和制造能力。在新加坡啟動第二條 6 英寸生產(chǎn)線后，ST 擴大了其位于卡塔尼亞（意大利）的主要工廠的產(chǎn)能，成功復(fù)制了首批 8 英寸 SiC 原型，首先是實現(xiàn)了二極管。

“我們計劃在 2024 年使所有碳化硅產(chǎn)品的收入達到 10 億美元，這比我們之前宣布的要早一年，”Di Giovanni 說。

審核編輯 黃昊宇