用1,700V SiC MOSFET替换IGBT

商用电动汽车(EV) 需要稳健、高效的充电技术。构成商用 EV 的高度集成的动力总成组件，例如辅助电源系统、太阳能逆变器、固态变压器以及其他运输和工业应用，都依赖于高压开关功率器件。为满足严苛的效率要求，Microchip Technology 宣布扩展其碳化硅产品组合，推出 1,700-V SiC MOSFET 系列。在接受《电力电子新闻》采访时，Microchip Technology SiC 解决方案高级经理 Kevin Speer 博士概述了将改进 SiC 技术并使其在电动汽车领域处于领先地位的创新和功能。

如今，开发商必须满足需要将更多的人和货物放入无法像电动汽车那么大的车辆中的需求。因此，市场正朝着使用 SiC 器件减小功率转换设备的尺寸和重量的方向发展。

除了乘用车外，还有一整套运输人员和物资的商业运输车辆、有轨电车和公共汽车。斯佩尔指出，为这些机动车辆通电需要更多动力。这在可靠性、功率密度和效率方面自然适用于充电和充电基础设施。

“改进和可靠性实际上来自拓扑中可能的简化，当你简化拓扑时，你减少了组件的数量，”斯佩尔说。“带有硅 IGBT 的列车上的牵引推进装置必须使用三电平拓扑来优化效率。切换到碳化硅时，可以使用简单的两级拓扑。因此所需的电源组件数量实际上减半。这不仅降低了成本，还减少了可能出现故障的组件数量。”

此外，Speer 指出，当您用 SiC 替换硅时，不会有很高的损耗，因此无需对其进行补偿。所以热管理要求肯定会不那么严格，在某些情况下，你甚至可以摆脱整个冷却系统。

碳化硅

SiC 1,700-V 技术是硅 IGBT 的替代品。虽然由于开关频率限制，硅在电路拓扑方面引入了妥协以避免更多损耗，但 SiC 技术可实现更高的开关频率，同时减小系统尺寸和重量。

Microchip 的新 SiC 产品系列通过采用具有更少部件和更简单控制方案的两电平拓扑克服了 IGBT 的困难。没有开关限制，功率转换单元可以减小尺寸和重量，为更多充电站腾出空间，并延长重型汽车、电动公交车和其他电池供电的商用车的续航里程和运行时间。

Microchip 强调了新产品组合的主要特性：稳定的阈值电压、无退化的体二极管、_RDS(on)过热的最小增加、无与伦比的雪崩坚固性以及类似于 IGBT 的短路耐受时间。

“我们的数据显示，在我们所有的 700-、1,200- 和 1,700-V SiC MOSFET 产品中，我们的阈值电压在 1,000 小时的高温正负栅极偏置应力后是稳定的，并且预测寿命为超过 100 年，”施佩尔说。“Microchip SiC MOSFET 还具有无退化的体二极管，这意味着您可以消除反并联肖特基二极管，从而节省额外成本。”

Microchip 测试包括重复未钳位感应开关 (R-UIS)。据发言人称，即使在 100,000 个扩展的 R-UIS 脉冲之后，也没有观察到任何设备参数发生有意义的变化_。此外，_{在 0} °C 至 175°C 的结温范围内，R _DS(on)曲线更平坦，因此与其他具有更高温度敏感性的 SiC MOSFET 相比，电源系统能够以更低的传导损耗运行。

Microchip 将 SiC 芯片的内部生产与低电感功率封装和可编程数字栅极驱动器相结合，使设计人员能够制作尽可能紧凑的解决方案。

“对于 62 毫米 IGBT 模块，寄生电感值约为 20 到 40 纳亨 [nH]，”Speer 说。“当您以高速切换时，换句话说，如高 dV/dt 或高 dI/dt，高电流变化率乘以寄生电感，导致非常大的过冲，可能超过器件额定值。像 Microchip 的 SP6LI 模块这样的封装只有 2.9 nH 的寄生电感，可以缓解这些问题。”

与 Microchip 的 MPLAB Mindi 模拟模拟器兼容的 SPICE SiC 模拟模型为系统开发人员提供了在进行硬件设计之前模拟开关特性的资源。智能配置工具 (ICT) 允许设计人员为 Microchip 的 AgileSwitch 系列可编程数字栅极驱动器建模高效的 SiC 栅极驱动器设置。

“如果您能够正确地结合碳化硅，这意味着使用带有数字可编程栅极驱动器的低电​​感封装并采用最佳设计、布局和优化实践，那么您的系统级成本通常会降低，即使性能、可靠性、并且系统的紧凑性得到了增强，”Speer 说。“关于价格问题，当碳化硅供应商与潜在采用者密切合作以帮助他们理解这些权衡并将其货币化并超越组件级别时，这可能具有启发性。”


审核编辑：刘清