電動汽車中的碳化硅半導(dǎo)體

當(dāng)您的電費只減少幾美分或?qū)p少全球 CO 2排放量的貢獻(xiàn)微乎其微時，可能很難將電子產(chǎn)品中的節(jié)能呼吁聯(lián)系起來，但是當(dāng)電動汽車獲得更高的效率時，效果更明顯——射程更遠(yuǎn)、重量更輕、運行成本更低?，F(xiàn)在，汽車中電池和電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步使它們變得可行，以至于某些國家/地區(qū)將禁止銷售內(nèi)燃機(jī) (ICE) 汽車1并且大多數(shù)新車開發(fā)都集中在電動汽車及其動力系統(tǒng)上。

尋找完美的開關(guān)

電動汽車充滿了需要電力的電子設(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，為了實現(xiàn)高效率，開關(guān)模式技術(shù)都用于生成電壓軌，這依賴于在高頻下工作的半導(dǎo)體。該應(yīng)用的理想開關(guān)在導(dǎo)通時電阻接近于零，在關(guān)斷時無泄漏，并且擊穿電壓高（圖 1）。當(dāng)它在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，瞬態(tài)功耗應(yīng)該很小，任何殘余損耗都應(yīng)該導(dǎo)致最小的開關(guān)溫升。多年來，半導(dǎo)體技術(shù)的推出越來越接近理想狀態(tài)，但人們的期望也發(fā)生了變化，人們?nèi)栽诶^續(xù)尋找完美的開關(guān)。

圖 1：理想的開關(guān)

理想開關(guān)的候選者

今天的開關(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)在可以采用碳化硅，因為它具有低動態(tài)和傳導(dǎo)損耗以及高溫操作的特殊優(yōu)勢。它離那個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 - 一種與低壓硅 MOSFET 以共源共柵排列方式共同封裝的 SiC JFET，共同稱為“SiC FET”。簡而言之，Si MOSFET 提供簡單的非關(guān)鍵柵極驅(qū)動，同時將常開 JFET 轉(zhuǎn)換為常關(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)（1,200V 級）

從圖 2 中可以清楚地看出，MOSFET 或 JFET 中 SiC 的更高臨界擊穿電壓允許更薄的漂移層，大約是 IGBT 中硅的十分之一，相應(yīng)的電阻更低。硅 IGBT 通過在較厚的漂移層中注入大量載流子來實現(xiàn)其低電阻，這導(dǎo)致 100 倍的存儲電荷，必須在每個開關(guān)周期中從漂移層掃入和掃出。這導(dǎo)致相對較高的開關(guān)損耗和顯著的柵極驅(qū)動功率要求。碳化硅 MOSFET 和 JFET 是單極器件，其中電荷運動僅進(jìn)出器件電容，從而大大降低動態(tài)損耗。

將現(xiàn)在的 SiC FET 與 SiC MOSFET 進(jìn)行比較，通道中的電子遷移率要好得多，SiC FET 允許使用更小的芯片來實現(xiàn)相同的電阻，從而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 是一個關(guān)鍵的衡量標(biāo)準(zhǔn)，它表明在給定性能的情況下，每個晶片有可能有更多的芯片，從而為給定的芯片面積節(jié)省成本或降低傳導(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，每片晶圓更多芯片和更快切換的雙贏局面被現(xiàn)在需要從更小區(qū)域散熱的需要所緩和。碳化硅的導(dǎo)熱性比硅高 3 倍，這有幫助，而且它還能夠在更高的平均溫度和峰值溫度下運行，但為了建立在這些優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，最新一代的碳化硅場效應(yīng)晶體管“第 4 代”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，以實現(xiàn)比焊料高 6 倍的熱導(dǎo)率——最終效果是提高了可靠性，因為結(jié)溫較低，并且有很大的絕對最大值。

SiC FET 相對于 SiC MOSFET 的優(yōu)勢非常廣泛，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。繪圖針對 UnitedSiC 的 GEN 4 SiC FET 的特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

這些圖已針對 UnitedSiC GEN 4 SiC FET 的特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在高溫和低溫下的所有方面均顯示出卓越的性能。

實際結(jié)果證實了 SiC FET 的承諾

UnitedSiC 已經(jīng)證明了 SiC FET 的有效性，圖騰柱 PFC 級設(shè)計在具有“硬”開關(guān)的連續(xù)傳導(dǎo)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，具有 85 至 264 VAC 輸入和 390 VDC 輸出，使用 18 mΩ 或 60 mΩ GEN 4 SiC FET TO-247-4L 封裝，開關(guān)頻率為 60 kHz。系統(tǒng)效率圖如圖 4 所示，在 230 VAC 下達(dá)到 99.37% 的峰值，一個 18mΩ SiC FET 用于高頻、高側(cè)和低側(cè)開關(guān)位置。在全 3.6 kW 輸出時，這些 SiC FET 的總耗散僅為 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 實現(xiàn)了 99.37% 的效率。

在 EV 中，還有一個下變頻級，將牽引電池電壓隔離到 12 V，通常使用 LLC 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，這是目前高效率的首選拓?fù)?。LLC 轉(zhuǎn)換器在高頻下諧振開關(guān)以獲得最佳性能，而 SiC FET 又是一個不錯的選擇。在 3.6 kW 下，以 500 kHz 開關(guān)，一對 GEN 4 750-V 18-mΩ MOSFET 的功耗小于 6.5 W，每個都包括傳導(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 以真正提高效率。開關(guān)頻率通常保持在 8 kHz 低，即使使用 SiC 器件也是如此，因為磁性元件是電機(jī)，它不會隨著逆變器開關(guān)頻率的增加而直接縮小尺寸。為了獲得顯著的收益，單個 IGBT 及其并聯(lián)二極管可以替換為，例如，六個并聯(lián)的 6-mΩ SiC FET，在 200-kW 輸出時半導(dǎo)體效率提高 1.6% 至 99.36%，代表超過 3 倍的切入功率損耗或 3 kW。在較輕的負(fù)載下，車輛更常運行，改進(jìn)效果更好，損耗比 IGBT 技術(shù)低 5 到 6 倍——所有這一切都具有低得多的柵極驅(qū)動功率和無“拐點”電壓以實現(xiàn)更好控制的優(yōu)勢在輕負(fù)載下。更低的損失，

我們達(dá)到了完美嗎？

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)在功率轉(zhuǎn)換的效率已經(jīng)下降到小數(shù)點以上 99%，我們離我們越來越近了。SiC FET 可以實現(xiàn)這一點，您可以使用 UnitedSiC 網(wǎng)站上的 SiC FET-JET 計算器工具2親自嘗試，該工具可以計算各種 AC/DC 和 DC/DC 拓?fù)涞膿p耗。

審核編輯：湯梓紅