碳化硅MOSFET在汽車動力逆變器中的優(yōu)勢有哪些呢？

新型電子研發(fā)組件在不斷發(fā)展，也隨之而來的是取得的成果。公司不斷嘗試開發(fā)越來越多的性能設(shè)備，特點是更高的效率和更好的電氣特性。碳化硅（SiC）技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，主要與其電氣有關(guān)電阻。使用這項技術(shù)，可以獲得相同的電阻比使用硅基技術(shù)但采用更小的質(zhì)量。更小和因此，可以開發(fā)更高效的組件。由于開關(guān)損耗減少，可以使用較小的無源在更高的頻率下工作組件。

此外，碳化硅器件可以運行在更高的溫度下，可以采用降低熱設(shè)計進行設(shè)計。他們因此，為汽車領(lǐng)域提供了理想的解決方案。更多好處使用碳化硅產(chǎn)生的損耗如下：功率損耗，最多可降低十倍，可以實現(xiàn);設(shè)備可以在更高的電壓下工作，具有電斷裂場（V/cm）增加了10倍;冷卻系數(shù)增加了兩倍（導(dǎo)熱系數(shù)寬/厘米x°C）;系數(shù)<>可改善頻率響應(yīng)。這些出色的電氣和物理特性是原因大多數(shù)公司都使用碳化硅作為其主要技術(shù)。

應(yīng)用

在過去幾年中，制造基于SiC的逆變器原型的汽車公司數(shù)量急劇增加。如今，80%的汽車傳動系統(tǒng)活動以某種方式涉及SiC，其余20%可能會效仿。

這SiC功率MOSFET、二極管和模塊的主要汽車應(yīng)用包括車載電動汽車（EV）充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和傳動系統(tǒng)逆變器。P嵌式混合動力EV和電池EV（純電動汽車）用途車載充電器，用于在家中或公共場所為車輛電池“加油”充電站。工作原理非常簡單：充電器需要插座功率為90至265 VAC并將其轉(zhuǎn)換為直流電為電池充電。傳動系統(tǒng)設(shè)備用于純電動汽車動力總成和商用車。這傳動系統(tǒng)是一項重要且具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。結(jié)果它為創(chuàng)新提供了巨大的機會。

SiC MOSFET提供業(yè)界最低的開關(guān)損耗和最高的品質(zhì)因數(shù)。

E系列MOSFET（圖1）是針對電動汽車電池充電器和高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器進行了優(yōu)化，以及在Wolfspeed的6.6 kW雙向車載參考設(shè)計中采用充電器。

電動汽車操作

圖2顯示了一個框圖，說明了基本電動汽車的操作。我們可以看到與主相關(guān)的塊功能，例如車載充電器（允許連接到外部交流充電站）、無線充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器（允許連接到DC快速充電站），以及逆變器—本文的主題。

電動汽車開發(fā)人員的首要任務(wù)是最大限度地利用車輛在電池充電后可以行駛的距離。在2012-2013年，電動汽車可以使用可用的高性能蓄能器保證約140公里的續(xù)航里程當(dāng)時。如今，電池容量已大大增加，允許旅行兩次充電之間的距離為400公里或更長。這確實是一個偉大的結(jié)果，與汽油發(fā)動機所能獲得的相當(dāng)。不過更長的距離能力需要更大的電池，而這反過來又需要更長的充電時間和車輛布線，可以支持必要的提高功率水平。

現(xiàn)有充電站可提供高功率水平，大約350 kWh或更高，因此已經(jīng)具備支持在不久的將來，對充電的需求將不斷增加。上在車輛方面，SiC被廣泛用于提供所需的更高效率和高功率功能。

圖3顯示了非常常見的EV的原理圖充電器，能夠提供3.6至7.2 kWh的低功率。布局基于兩級功率因數(shù)校正（PFC）電路和隔離式為高壓電池供電的DC/DC轉(zhuǎn)換器。用于改善功率系數(shù)操作時，升壓二極管通?；赟iC技術(shù)。在原理圖，升壓二極管是標(biāo)準(zhǔn)元件，而不是附加組件解決方案，正如人們可能錯誤地假設(shè)的那樣。碳化硅二極管允許更高的開關(guān)量頻率比硅基等效物。期間記錄的波形對羅姆的碳化硅二極管進行了多項測試半導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)極好，與使用標(biāo)準(zhǔn)650V快速硅二極管獲得的結(jié)果。碳化硅二極管的溫度依賴性幾乎不存在，使其成為理想的解決方案適用于最苛刻的應(yīng)用。

電動方程式逆變器

更換絕緣柵雙極晶體管基于（IGBT）的逆變器與基于碳化硅的逆變器可以增加功率10%。使用SiC時，開關(guān)頻率的最大變化為24 kHz，而SiC為16 kHz等效于IGBT的kHz。解決方案的總重量從15 kg到9 kg，總?cè)莘e從14升下降到10升（30%減少）。由于羅門半導(dǎo)體執(zhí)行的測試，可用功率增加。對于電動方程式賽車來說，這意味著快速加速，幫助賽車在起跑線上達到最高速度競爭并與頂級完成者一起越過終點線。

但是也必須考慮電池，因為它決定可用能量的數(shù)量。進行了碳化硅MOSFET仿真和羅姆半導(dǎo)體的分析揭示了該技術(shù)的主要優(yōu)勢。用于模擬的標(biāo)準(zhǔn)配置文件，3B類WLTP，測量速度，轉(zhuǎn)數(shù)（RPM）和扭矩。仿真參考了100 kWh發(fā)動機、16kHz開關(guān)頻率和750 V/33 kWh電池。二電源比較模塊：BSM600D12 SiC 12，000-V/600-A模塊和SKIM459GD12E4 IGBT模塊。

羅姆進行了多次模擬并分析了結(jié)果。它發(fā)現(xiàn)使用SiC功率模塊行駛了177公里的距離，向上從IGBT版本獲得的159公里（圖4）。因此，它結(jié)論是，僅僅改變制造技術(shù)就可能導(dǎo)致為客戶提供直接和切實的利益，他們可以設(shè)計一個系統(tǒng)可以在電池相同尺寸或允許使用更小的電池，總成本較低，不影響性能（兩次充電之間的行程距離）客戶—駕駛員。

展望未來，我們期待功率密度增加。換句話說，所有的努力都集中在從最小的合理性中獲得盡可能高的能量腳印。因此，更高功率的發(fā)動機將用更小的組件，降低每千瓦時的價格。

與傳統(tǒng)的硅基器件相比，SiC功率器件需要更復(fù)雜，因此更昂貴的制造步驟。然而，最終，SiC的功率密度優(yōu)勢將使成本/性能等式向有利于其的方向轉(zhuǎn)變。SiC將在汽車應(yīng)用、DC/C充電電路和電源轉(zhuǎn)換器中得到更廣泛的采用。SiC逆變器將繼續(xù)取代硅基IGBT逆變器，因為越來越多的開發(fā)人員希望利用碳化硅的效率和功率密度優(yōu)勢。

審核編輯：劉清