碳化硅開(kāi)關(guān)會(huì)主導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)嗎

根據(jù)美國(guó)能源部的數(shù)據(jù)，如今美國(guó)道路上只有不到 1% 的汽車(chē)由電力驅(qū)動(dòng)，但到 2050 年，這一比例可能會(huì)上升到 65-75%。這是否真的會(huì)發(fā)生將取決于諸如負(fù)擔(dān)能力、法規(guī)和技術(shù)進(jìn)步等因素。不過(guò)，毫無(wú)疑問(wèn)的是，自 1997 年首次推出豐田普銳斯以來(lái)，現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē) (EV) 有了顯著改進(jìn)。特斯拉等公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的電池、電機(jī)和控制技術(shù)，使他們能夠定期提供具有出色性能和 300 英里或更長(zhǎng)續(xù)航里程的車(chē)輛。

不過(guò)，仍有很大的改進(jìn)空間。電動(dòng)汽車(chē)將儲(chǔ)存在電池中的能量轉(zhuǎn)化為車(chē)輪動(dòng)力的效率在 59% 到 62% 之間，盡管這比現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)的 21% 左右要好得多。

提高電動(dòng)汽車(chē)效率的一種方法是在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中使用更高效的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，以及越來(lái)越多的電動(dòng)輔助車(chē)輛系統(tǒng)，例如空調(diào)和照明。越來(lái)越值得確保將主電池電壓（通常為 400V）轉(zhuǎn)換為 12V 或 24V 的電源轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檫@些功能使用最新的電路拓?fù)浜桶雽?dǎo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)最大效率，至少對(duì)于不被視為安全至關(guān)重要。

另一方面，傳動(dòng)系統(tǒng)中使用的電機(jī)控制電子設(shè)備被視為安全關(guān)鍵功能，因此設(shè)計(jì)人員必須依賴經(jīng)過(guò)充分驗(yàn)證的技術(shù)。這就是為什么特斯拉現(xiàn)在只在其牽引電機(jī)控制器中引入 SiC FET，直到最近才不得不依賴 TO-247 封裝的 IGBT。

在電機(jī)控制中使用寬帶隙半導(dǎo)體

用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 材料制造的寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體現(xiàn)在正用于電機(jī)控制，因?yàn)樗鼈兲峁└斓拈_(kāi)關(guān)，這對(duì)于在高基頻下運(yùn)行并需要良好過(guò)濾紋波的電機(jī)來(lái)說(shuō)可能是必需的無(wú)正弦電流和低傳導(dǎo)損耗，因?yàn)樗鼈儧](méi)有拐點(diǎn)電壓。這些特性的組合提供了更高的效率、更小的尺寸和重量，從而降低了成本。WBG 器件還可以在高溫下運(yùn)行，對(duì)于 SiC 而言，通常為 200°C，峰值溫度超過(guò) 600°C，從而提供有用的安全裕度。

SiC FET 基礎(chǔ)知識(shí)

United SiC生產(chǎn) SiC FET，由 SiC JFET 和 Si MOSFET 的共源共柵排列形成。這種復(fù)合器件在無(wú)偏壓時(shí)常關(guān)，可以在納秒內(nèi)切換。與 SiC MOSFET 和 GaN 器件相比，SiC FET 易于驅(qū)動(dòng)并提供出色的單位芯片面積導(dǎo)通電阻（圖 2 顯示了與競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的比較）。這些器件具有極低的內(nèi)部電容，最大限度地減少了開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的損耗。并且 SiC FET 具有非?？斓捏w二極管，可降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用中的損耗。

圖 2：將 SiC FET 的每單位芯片面積的導(dǎo)通電阻與競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)進(jìn)行比較

電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)中的 SiC FET

WBG 設(shè)備尚未在電動(dòng)汽車(chē)中廣泛采用的實(shí)際原因有幾個(gè)。首先是與類似額定值的 IGBT 相比的成本。還有一種情況是，電機(jī)的電感不會(huì)像 DC-DC 轉(zhuǎn)換器那樣按比例縮小，從而降低了更高的開(kāi)關(guān)頻率的吸引力。SiC FET 實(shí)現(xiàn)的高開(kāi)關(guān)速度可提供更高的轉(zhuǎn)換效率，但代價(jià)是電壓變化非常迅速（高dv/dt率），這會(huì)給電機(jī)繞組的絕緣帶來(lái)壓力。并且，WBG 器件在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的惡劣環(huán)境中的可靠性存在疑問(wèn)，因?yàn)樗哂袧撛诘亩搪?、所需的較長(zhǎng)工作壽命和較高的工作溫度。

盡管如此，這些設(shè)備承諾更好的轉(zhuǎn)換效率，這在系統(tǒng)層面轉(zhuǎn)化為更大的驅(qū)動(dòng)范圍，并在實(shí)施層面轉(zhuǎn)化為更小、更便宜、更輕的散熱器。在典型工作條件下，SiC FET 的效率與 IGBT 相比特別好，因?yàn)?IGBT 具有“拐點(diǎn)”電壓，這實(shí)際上意味著它們?cè)谒序?qū)動(dòng)條件下都具有最小的功率損耗。下面的圖 3 比較了使用兩個(gè) 1cm x 1cm IGBT 芯片的 200A、1200V IGBT 模塊與具有兩個(gè) 0.6 X 0.6cm SiC 堆棧共源共柵芯片的 200A、1200V SiC FET 模塊。

圖 3：比較使用 Si IGBT 或 SiC FET 構(gòu)建的 200A、1200V 開(kāi)關(guān)模塊在室溫和高溫下的傳導(dǎo)損耗

該圖顯示 SiC FET 可以在給定的模塊占位面積中提供最低的傳導(dǎo)損耗，而且成本將會(huì)下降，因?yàn)?SiC FET 芯片尺寸比同等額定值的硅 IGBT 小得多。

可靠性問(wèn)題

一些 WBG 設(shè)備確實(shí)存在可靠性問(wèn)題。例如，SiC MOSFET 和 GaN 器件對(duì)柵極電壓極為敏感，其絕對(duì)最大值非常接近其推薦的工作條件。另一方面，碳化硅 FET 將容忍寬范圍的柵極電壓，并且裕度可以達(dá)到絕對(duì)最大值。

在 EV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，短路額定值成為主要問(wèn)題。在這里，IGBT 被視為穩(wěn)健性的基準(zhǔn)，GaN 器件性能不佳，但 SiC FET 大放異彩，因?yàn)樗鼈冊(cè)?SiC JFET 的垂直通道中具有自然的“夾斷”機(jī)制，可以限制電流并使短路能力獨(dú)立柵極驅(qū)動(dòng)電壓。SiC JFET 允許的高峰值溫度也意味著它們可以比競(jìng)爭(zhēng)器件承受更長(zhǎng)時(shí)間的短路。汽車(chē)應(yīng)用中的普遍期望是，在保護(hù)機(jī)制啟動(dòng)之前，設(shè)備應(yīng)能承受 5μs 的短路。使用UnitedSiC 的650V SiC FET 進(jìn)行測(cè)試 表明它們可以承受至少 8μs 的短路，使用 400V DC 電源總線，即使在高溫下發(fā)生 100 次短路事件后，也不會(huì)降低器件的導(dǎo)通電阻或柵極閾值。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的另一個(gè)設(shè)備殺手是不需要的過(guò)壓條件。同樣，GaN 也不能幸免，但 SiC FET 具有非常好的雪崩額定值，因?yàn)閮?nèi)部 JFET 在其柵漏結(jié)擊穿時(shí)開(kāi)啟以鉗位電壓。United SiC 的測(cè)試表明，這些器件能夠進(jìn)行 >10 6 次雪崩循環(huán)而不會(huì)降低器件參數(shù)。

令人信服的案例

UnitedSiC 的 SiC FET 等 WBG 器件是下一代 EV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的真正競(jìng)爭(zhēng)者，滿足了對(duì)更好性能、系統(tǒng)成本節(jié)約和經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的穩(wěn)健運(yùn)行的需求。因此，碳化硅有望在未來(lái)十年主導(dǎo)電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。
審核編輯：郭婷