電動(dòng)汽車(chē)中的碳化硅半導(dǎo)體

當(dāng)您的電費(fèi)只減少幾美分或?qū)p少全球 CO2排放量的貢獻(xiàn)微乎其微時(shí)，很難將電子產(chǎn)品中的節(jié)能呼吁聯(lián)系起來(lái)，但是當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)獲得更高的效率時(shí)，效果更明顯——射程更遠(yuǎn)、重量更輕、運(yùn)行成本更低。現(xiàn)在，汽車(chē)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(guó)家/地區(qū)將禁止銷(xiāo)售內(nèi)燃機(jī) （ICE） 汽車(chē)，并且大多數(shù)新車(chē)開(kāi)發(fā)都集中在電動(dòng)汽車(chē)及其動(dòng)力系統(tǒng)上。

尋找完美的開(kāi)關(guān)

電動(dòng)汽車(chē)充滿了需要電力的電子設(shè)備，從牽引逆變器到車(chē)載充電器和輔助電源。在所有情況下，為了實(shí)現(xiàn)高效率，開(kāi)關(guān)模式技術(shù)都用于生成電壓軌，這依賴于以高頻運(yùn)行的半導(dǎo)體。該應(yīng)用的理想開(kāi)關(guān)在導(dǎo)通時(shí)電阻接近于零，關(guān)斷時(shí)無(wú)泄漏，擊穿電壓高（圖 1）。當(dāng)它在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)，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(kāi)關(guān)溫升。多年來(lái)，已經(jīng)引入了性能越來(lái)越接近理想的半導(dǎo)體技術(shù)，但期望也發(fā)生了變化，并且繼續(xù)尋找完美的開(kāi)關(guān)。

圖1：理想的開(kāi)關(guān)

理想開(kāi)關(guān)的候選者

今天開(kāi)關(guān)的選擇多種多樣：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(kāi)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?yàn)樗哂械蛣?dòng)態(tài)和傳導(dǎo)損耗以及高溫操作的特殊優(yōu)勢(shì)。它離那個(gè)難以捉摸的理想開(kāi)關(guān)又近了一步，但還有另一種更好的方法 - 一種 SiC JFET 與低電壓硅 MOSFET 以共源共柵排列方式共同封裝，統(tǒng)稱為“SiC FET”。簡(jiǎn)而言之，Si MOSFET 提供簡(jiǎn)單的非關(guān)鍵柵極驅(qū)動(dòng)，同時(shí)將常開(kāi) 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(shì)。

圖2：IGBT、SiC MOSFET 和 SiC JFET 結(jié)構(gòu)

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(guò)在較厚的漂移層中注入大量載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)其低電阻，這導(dǎo)致 100 倍的存儲(chǔ)電荷，必須在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中從漂移層掃入和掃出。這導(dǎo)致相對(duì)較高的開(kāi)關(guān)損耗和顯著的柵極驅(qū)動(dòng)功率要求。碳化硅 MOSFET 和 JFET 是單極器件，其中電荷運(yùn)動(dòng)僅進(jìn)出器件電容，從而大大降低動(dòng)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 允許在電阻相同的情況下使用更小的芯片，因此具有更低的電容和更快的開(kāi)關(guān)或更低的導(dǎo)通電阻 （R DS（ON） ）相同的管芯面積 A。因此，A 是一個(gè)關(guān)鍵的衡量標(biāo)準(zhǔn)，它表明在給定性能的情況下，每個(gè)晶片有可能有更多的管芯，從而為給定的管芯面積節(jié)省成本或降低傳導(dǎo)損耗。COSS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)衡以增加或減少開(kāi)關(guān)損耗。

在所有其他條件相同的情況下，每個(gè)晶圓更多芯片和更快切換的雙贏局面受到現(xiàn)在需要從更小的區(qū)域散熱的需要。SiC 具有比硅高 3 倍的熱導(dǎo)率，這有助于在更高的平均溫度和峰值溫度下運(yùn)行，但為了建立在這些優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，最新一代 SiC FET“GEN 4”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(shí)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?yàn)榻Y(jié)溫低，并且有很大的絕對(duì)最大值。

SiC FET 相對(duì)于 SiC MOSFET 的優(yōu)勢(shì)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(shì)。繪圖針對(duì) UnitedSiC 的 GEN 4 SiC FET 的特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化

這些圖已經(jīng)根據(jù) UnitedSiC GEN 4 SiC FET 的特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在高溫和低溫下的各個(gè)方面都表現(xiàn)出卓越的性能。

實(shí)際結(jié)果證實(shí)了 SiC FET 的承諾

UnitedSiC 已經(jīng)證明了 SiC FET 的有效性，圖騰柱 PFC 級(jí)設(shè)計(jì)在具有“硬”開(kāi)關(guān)的連續(xù)傳導(dǎo)模式下工作，這將是 EV 車(chē)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 采用 TO-247-4L 封裝，開(kāi)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(gè) 18mΩ SiC FET 用于高頻、高側(cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān)位置。在 3.6 kW 的全輸出功率下，這些 SiC FET 的總功耗僅為 16 W 或 0.44% 的低效率，需要最少的散熱。

圖 4：圖騰柱 PFC 級(jí)使用 SiC FET 實(shí)現(xiàn)了 99.37% 的效率。

在 EV 中，還有一個(gè)下變頻級(jí)，將牽引電池電壓隔離到 12 V，通常使用 LLC 轉(zhuǎn)換器實(shí)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(kāi)關(guān)以獲得最佳性能，而 SiC FET 又是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在 3.6 kW 下，開(kāi)關(guān)頻率為 500 kHz，一對(duì) GEN 4 750-V 18-mΩ MOSFET 的功耗小于 6.5 W，每個(gè)都包括傳導(dǎo)、開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率通常保持在 8 kHz 低，即使是使用 SiC 器件，因?yàn)榇判栽?a target="_blank">電機(jī)，它不會(huì)隨著逆變器開(kāi)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(gè) IGBT 及其并聯(lián)二極管可以替換為，例如，六個(gè)并聯(lián)的 6-mΩ SiC FET，在 200-kW 輸出時(shí)半導(dǎo)體效率提高 1.6% 至 99.36%，代表超過(guò) 3 倍的切入功率損耗或 3 kW。在較輕的負(fù)載下，車(chē)輛更長(zhǎng)運(yùn)行，改進(jìn)效果更好，損耗比 IGBT 技術(shù)低 5 到 6 倍——所有這些都具有柵極驅(qū)動(dòng)功率低得多的優(yōu)點(diǎn)，并且沒(méi)有“膝點(diǎn)”電壓以實(shí)現(xiàn)在輕負(fù)載下更好的控制和更低的損失。

審核編輯 ：李倩