电动汽车中的碳化硅半导体

当您的电费只减少几美分或对减少全球 CO2排放量的贡献微乎其微时，很难将电子产品中的节能呼吁联系起来，但是当电动汽车获得更高的效率时，效果更明显——射程更远、重量更轻、运行成本更低。现在，汽车电池和电源转换技术的进步使它们变得可行，以至于某些国家/地区将禁止销售内燃机 （ICE） 汽车，并且大多数新车开发都集中在电动汽车及其动力系统上。

寻找完美的开关

电动汽车充满了需要电力的电子设备，从牵引逆变器到车载充电器和辅助电源。在所有情况下，为了实现高效率，开关模式技术都用于生成电压轨，这依赖于以高频运行的半导体。该应用的理想开关在导通时电阻接近于零，关断时无泄漏，击穿电压高（图 1）。当它在两种状态之间转换时，瞬态功耗应该很小，任何残余损耗都应该导致最小的开关温升。多年来，已经引入了性能越来越接近理想的半导体技术，但期望也发生了变化，并且继续寻找完美的开关。

图1：理想的开关

理想开关的候选者

今天开关的选择多种多样：IGBT 因其低传导损耗而在非常高的功率下受到青睐，而 MOSFET 在中低功率下占主导地位，其快速开关可最大限度地减少相关组件的尺寸和成本，尤其是磁性元件。MOSFET 传统上使用硅技术，但现在可以采用碳化硅，因为它具有低动态和传导损耗以及高温操作的特殊优势。它离那个难以捉摸的理想开关又近了一步，但还有另一种更好的方法 - 一种 SiC JFET 与低电压硅 MOSFET 以共源共栅排列方式共同封装，统称为“SiC FET”。简而言之，Si MOSFET 提供简单的非关键栅极驱动，同时将常开 JFET 转换为常关共源共栅，与 Si 或 SiC MOSFET 相比具有一系列优势。

图2：IGBT、SiC MOSFET 和 SiC JFET 结构

从图 2 中可以清楚地看出，MOSFET 或 JFET 中 SiC 的更高临界击穿电压允许更薄的漂移层，大约是 IGBT 中硅的十分之一，相应的电阻更低。硅 IGBT 通过在较厚的漂移层中注入大量载流子来实现其低电阻，这导致 100 倍的存储电荷，必须在每个开关周期中从漂移层扫入和扫出。这导致相对较高的开关损耗和显着的栅极驱动功率要求。碳化硅 MOSFET 和 JFET 是单极器件，其中电荷运动仅进出器件电容，从而大大降低动态损耗。

将现在的 SiC FET 与 SiC MOSFET 进行比较，通道中的电子迁移率要好得多，SiC FET 允许在电阻相同的情况下使用更小的芯片，因此具有更低的电容和更快的开关或更低的导通电阻 （R DS（ON） ）相同的管芯面积 A。因此，A 是一个关键的衡量标准，它表明在给定性能的情况下，每个晶片有可能有更多的管芯，从而为给定的管芯面积节省成本或降低传导损耗。COSS量化了导通电阻和输出电容之间的相互作用，在给定的额定电压下进行权衡以增加或减少开关损耗。

在所有其他条件相同的情况下，每个晶圆更多芯片和更快切换的双赢局面受到现在需要从更小的区域散热的需要。SiC 具有比硅高 3 倍的热导率，这有助于在更高的平均温度和峰值温度下运行，但为了建立在这些优势的基础上，最新一代 SiC FET“GEN 4”具有晶圆减薄功能降低其电阻和热阻，并采用银烧结芯片连接，以实现比焊料高 6 倍的热导率——最终效果是提高了可靠性，因为结温低，并且有很大的绝对最大值。

SiC FET 相对于 SiC MOSFET 的优势非常广泛，取决于应用，但可以在关键 FOM 和特性的雷达图中进行总结（图 3）。

图3：SiC FET 在不同应用中的优势。绘图针对 UnitedSiC 的 GEN 4 SiC FET 的特性进行了标准化

这些图已经根据 UnitedSiC GEN 4 SiC FET 的特性进行了标准化，在高温和低温下的各个方面都表现出卓越的性能。

实际结果证实了 SiC FET 的承诺

UnitedSiC 已经证明了 SiC FET 的有效性，图腾柱 PFC 级设计在具有“硬”开关的连续传导模式下工作，这将是 EV 车载充电器前端的典型特征。该转换器的额定功率为 3.6 kW，具有 85 至 264 VAC 输入和 390 VDC 输出，使用 18-mΩ 或 60-mΩ GEN 4 SiC FET 采用 TO-247-4L 封装，开关频率为 60 kHz。系统效率图如图 4 所示，在 230 VAC 下达到 99.37% 的峰值，一个 18mΩ SiC FET 用于高频、高侧和低侧开关位置。在 3.6 kW 的全输出功率下，这些 SiC FET 的总功耗仅为 16 W 或 0.44% 的低效率，需要最少的散热。

图 4：图腾柱 PFC 级使用 SiC FET 实现了 99.37% 的效率。

在 EV 中，还有一个下变频级，将牵引电池电压隔离到 12 V，通常使用 LLC 转换器实现，这是目前高效率的首选拓扑。LLC 转换器在高频下谐振开关以获得最佳性能，而 SiC FET 又是一个不错的选择。在 3.6 kW 下，开关频率为 500 kHz，一对 GEN 4 750-V 18-mΩ MOSFET 的功耗小于 6.5 W，每个都包括传导、开关和体二极管损耗。

牵引逆变器是可以节省最多功率的地方，而 SiC FET 可以取代 IGBT 以真正提高效率。开关频率通常保持在 8 kHz 低，即使是使用 SiC 器件，因为磁性元件是电机，它不会随着逆变器开关频率的增加而直接缩小尺寸。为了获得显着的收益，单个 IGBT 及其并联二极管可以替换为，例如，六个并联的 6-mΩ SiC FET，在 200-kW 输出时半导体效率提高 1.6% 至 99.36%，代表超过 3 倍的切入功率损耗或 3 kW。在较轻的负载下，车辆更长运行，改进效果更好，损耗比 IGBT 技术低 5 到 6 倍——所有这些都具有栅极驱动功率低得多的优点，并且没有“膝点”电压以实现在轻负载下更好的控制和更低的损失。

审核编辑 ：李倩