SiC扎根汽車領(lǐng)域

UnitedSiC工程副總裁Anup Bhalla

由于具備的多種屬性，碳化硅（SiC）成為了電動車（EV）領(lǐng)域中重要的半導體技術(shù)，碳化硅器件的性能勝過傳統(tǒng)硅（Si）器件。它的優(yōu)勢包括提高了電壓額定值、功率轉(zhuǎn)換效率出眾和能處理更高溫度。

車載充電器（OBC）、直流轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器都因SiC而受益，持續(xù)的發(fā)展和結(jié)構(gòu)增強必定能讓SiC現(xiàn)有的強大吸引力進一步提升。這些增強能擴大SiC這種寬帶隙材料的運行參數(shù)的范圍，進一步降低功耗。與此同時，大量生產(chǎn)帶來的規(guī)模經(jīng)濟效應則意味著SiC將達到更具吸引力的價位。

SiC在電動車中的使用

下面非常簡要地介紹了現(xiàn)在影響電動車領(lǐng)域的部分動態(tài)。每個動態(tài)都應該予以適當考慮。

需要更短的充電周期?–?為此，電動車設(shè)計團隊正在設(shè)法部署能在更高電壓下工作的車載充電器。能容納這些高壓的SiC器件被引入了該領(lǐng)域。常用的650V額定電壓器件并不總是能滿足要求，需要額定值更高的半導體才能承載更高的電池電壓。同時，使用額定值900V或1200V的器件會帶來不合理的成本增加。最好有某些解決方案能帶來一定程度的電壓升高，但又不會造成費用過高。

需要支持更高的運行頻率?–?要加快開關(guān)速度，必須盡量減小開關(guān)損耗。否則，能效就會降低，熱管理機制就需要更多空間，而這會導致整體體積、重量和成本增加，從而出現(xiàn)想要避免的結(jié)果。

顯著降低運行損耗?–?這樣可以延長電動車的單次充電行駛里程。這一做法對降低電動車電池體積也同樣有效。這兩種結(jié)果都會引起車輛制造商的興趣。

成本考量?–?加速內(nèi)燃機車輛向電動車過渡的另一個重要因素是制造商能否降低消費者購車的投資。若要降低價格，則必須限制各種零部件的成本，而逆變器在總成本中占據(jù)不小的比例。

事實證明，認識到這些動態(tài)的本質(zhì)以及找到可行解決方案的緊迫性在推動UnitedSiC開發(fā)第四代SiC技術(shù)方面十分關(guān)鍵。表1中列出了其他供應商提供的SiC技術(shù)的規(guī)格改進。該表將新的額定值750V的UJ4C075018K4S SiC FET與三個替換650V SiC MOSFET以及基于硅的超結(jié)FET器件進行了對比。即使第四代SiC FET具備明顯較高的額定電壓，該技術(shù)的單位面積導通電阻也比其他SiC MOSFET好兩到三倍，比Si FET選項好一個數(shù)量級。這意味著可以用外形小得多的封裝實現(xiàn)類似性能。

能實現(xiàn)超低的單位面積導通電阻的原因是SiC FET中集成了高密度溝槽SiC JFET結(jié)構(gòu)。它與低壓Si MOSFET一起封裝。SiC JFET的面積較小意味著，在給定芯片體積下，導通電阻會極為低。反過來，也可采用電容較低的較小FET，同時將導通電阻控制在可接受的范圍內(nèi)。

為了降低電阻和熱阻值并限制相關(guān)損耗，SiC基片被大幅減薄。為了維持結(jié)構(gòu)完整性，減薄后的基片通過銀（Ag）燒結(jié)材料粘接到銅（Cu）引腳框架上，銀燒結(jié)材料的導熱系數(shù)比標準焊料好六倍。

第四代UnitedSiC SiC技術(shù)帶來的其他優(yōu)點包括大幅降低相關(guān)的柵極驅(qū)動損耗，如將其與其他器件進行比較的表4所示。這表示開關(guān)速度可以提高三倍，而不會有任何柵極驅(qū)動集成電路過熱風險。該技術(shù)不需要負壓柵極驅(qū)動。由于正向壓降（VFSD）低且反向恢復電荷（QRR）極小，VF.QRR性能表征（FoM）非常好。當今市場上任何器件所能提供的性能都無法與之相比。

審核編輯 黃昊宇

SiC已經(jīng)讓電動車傳動系和電池系統(tǒng)變得更加高效，從而達到遠超硅半導體技術(shù)藩籬的性能基準。新一代SiC技術(shù)的到來將進一步證實自身對電動車未來幾年在全球普及的價值。

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