寬帶隙SiC如何加速電動(dòng)車創(chuàng)新

客戶對(duì)單次充電行駛里程堪比內(nèi)燃機(jī)車輛的電動(dòng)車（EV）的需求現(xiàn)已超過技術(shù)本身的發(fā)展，而且關(guān)鍵是，還需要這種電動(dòng)車有一個(gè)較為平易近人的價(jià)格。使用碳化硅等半導(dǎo)體技術(shù)打造的更為高效的傳動(dòng)系統(tǒng)讓工程師能以經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式滿足對(duì)高壓和大功率的需求。

由于價(jià)格下降，行駛里程增加，電動(dòng)車正在逐漸成為主流。2019年，全球電動(dòng)車銷量超過210萬(wàn)。國(guó)際能源署報(bào)告《2020年全球電動(dòng)車展望》稱，2019年有超過720萬(wàn)輛電動(dòng)客車上路行駛。然而，電動(dòng)車數(shù)量是否會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)取決于許多因素。主要市場(chǎng)中的購(gòu)買補(bǔ)貼削減是電動(dòng)車銷量顯著下跌的一個(gè)誘因。新冠疫情的影響也不可忽視，它是今年全球車輛產(chǎn)量的主要影響因素。不過，充電基礎(chǔ)設(shè)施改善、消費(fèi)者期盼的未來(lái)技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的車輛價(jià)格下降與十分重要的更長(zhǎng)單次充電行駛里程仍然是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

電池和電動(dòng)機(jī)制造商已經(jīng)接近已知技術(shù)能所達(dá)到的性能上限。但是，在傳動(dòng)系統(tǒng)中，即在電池能量轉(zhuǎn)化成供電動(dòng)機(jī)使用的三相交流電的過程中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在顯而易見的升級(jí)方式。這就是碳化硅（SiC）等寬帶隙半導(dǎo)體的用武之地。

部分電動(dòng)車應(yīng)用已經(jīng)開始使用SiC技術(shù)，其中很大一部分是低功率應(yīng)用，如電池充電器、輔助直流轉(zhuǎn)換器和固態(tài)斷路器。然而，傳動(dòng)系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)師一直不愿意使用這種技術(shù)，而是在等待這種技術(shù)有可以接受的低通導(dǎo)電阻、更好的穩(wěn)健性且更容易應(yīng)用?，F(xiàn)在，UnitedSiC 生產(chǎn)的最新一代SiC-FET，即“堆疊式共源共柵”的性能突破將解決所有這些顧慮。

什么是堆疊式共源共柵

堆疊式共源共柵是一種含兩個(gè)晶體管且晶體管上下堆疊的器件，它將一個(gè)高壓SiC JFET與一個(gè)優(yōu)化的低壓Si-MOSFET串聯(lián)（見圖1）。當(dāng)柵極高時(shí)，MOSFET讓JFET柵源短接，從而將其打開。當(dāng)柵極低時(shí)，MOSFET漏極電壓升高直至JFET夾止（即溝道關(guān)閉），此時(shí)電壓約為10V。結(jié)果是產(chǎn)生了柵極驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的常關(guān)型器件。此外，它擁有SiC器件的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，具有低通導(dǎo)電阻，能在高壓高溫下運(yùn)行，具有一體的體二極管效應(yīng)和出色的反向恢復(fù)特征。

圖1 堆疊式共源共柵構(gòu)造 - MOSFET晶粒的物理位置處于JFET源板上方

共源共柵的概念已經(jīng)存在一段時(shí)間了，但是現(xiàn)在，JFET版本的共源共柵在高壓額定值下實(shí)現(xiàn)了出色的通導(dǎo)電阻，從而接近“理想”開關(guān)。表1用數(shù)據(jù)說(shuō)話，列出了UnitedSiC生產(chǎn)的部分SiC-FET，表明在25°C下，1200V器件的RDS(ON)值低至8.6毫歐，650V器件的值低至6.7毫歐。所有器件均為TO-247封裝規(guī)格，部分采用4引腳開爾文連接，以獲得最佳柵極驅(qū)動(dòng)。

表1 最新一代UnitedSiC SiC-FET的性能

低漏源通導(dǎo)電阻值（R_DS(ON)）、低輸出電容值（COSS）和低開關(guān)能耗值（EON和EOFF）可以將導(dǎo)電損耗降至最低。此外，帶電感負(fù)載的開關(guān)必須能“換向”，即允許反向?qū)щ?，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的開關(guān)。

IGBT電路中必須采用高壓并聯(lián)二極管，才能允許反向電流。這會(huì)增加成本，而且二極管需要具有高性能，反向恢復(fù)能耗也要盡可能低。另一方面，SiC-MOSFET有一體的反向二極管，但是性能相對(duì)較差，并且在運(yùn)行溫度下有高正向壓降和顯著的恢復(fù)損耗。然而，SiC-FET允許通過溝道跨已經(jīng)很低的通導(dǎo)電阻有效反向?qū)щ?，且無(wú)存儲(chǔ)電荷效應(yīng)，正向壓降低。封裝中的堆疊式Si-MOSFET也會(huì)反向?qū)щ?，但是由于屬于?yōu)化的低壓類型，它的體二極管壓降小，不會(huì)增加恢復(fù)損耗。

最新一代SiC-FET的損耗低于傳統(tǒng)IGBT方法并有額外的附帶優(yōu)勢(shì)。表2顯示了6個(gè)功率電平下的計(jì)算損耗，并對(duì)比了當(dāng)前先進(jìn)的IGBT模塊加并聯(lián)二極管方法與SiC-FET版本。

表2 電動(dòng)車應(yīng)用中的IGBT與SiC-FET的總導(dǎo)電和開關(guān)損耗對(duì)比

在典型的50-100kW電平下，SiC-FET一致實(shí)現(xiàn)了近4倍的功耗降低，在200kW電平下，則實(shí)現(xiàn)了近3倍的功耗降低。在電動(dòng)車應(yīng)用中，這等同于有更多可用能量和較低的冷卻要求，前者能延長(zhǎng)單次充電行駛里程，后者能讓散熱箱更小、更輕，從而降低車輛負(fù)載并提高單次充電行駛里程，構(gòu)成一種良性循環(huán)。這些低電阻器件可用于低成本分立封裝中，從而構(gòu)造出非常經(jīng)濟(jì)的逆變器。

寬帶隙技術(shù)相對(duì)較新，對(duì)其實(shí)際可靠性的疑慮是可以理解的。不過，最新一代SiC-FET部件現(xiàn)在已有大量測(cè)試數(shù)據(jù)，并使用成熟的生產(chǎn)工藝來(lái)保證穩(wěn)健性。它們還擁有內(nèi)置優(yōu)勢(shì)，除了碳化硅固有的高溫能力外，SiC-FET還具有自限制雪崩漏極電壓特征，并有溝道自適應(yīng)偏壓能力，可激活過壓模式，從而吸收高達(dá)數(shù)焦耳的暫態(tài)能量。

SiC-FET的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是抗短路穩(wěn)健性。大電流經(jīng)過溝道電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)JFET柵偏壓，從而趨向于關(guān)閉器件。通過自加熱，溝道電阻的正溫度系數(shù)會(huì)進(jìn)一步減小短路電流。這種效應(yīng)使SiC-FET易于并聯(lián)，同時(shí)有自動(dòng)電流平衡能力，而對(duì)溫度變化相對(duì)不敏感的堆疊式MOSFET閾值電壓和反向恢復(fù)特征進(jìn)一步增強(qiáng)了它的優(yōu)勢(shì)。

電動(dòng)車充電

SiC-FET也是快速充電器應(yīng)用的理想選擇，在這種應(yīng)用中，它們能夠在PFC前端和主直流轉(zhuǎn)換級(jí)中提供峰值效率，這二者通常都使用相移全橋或LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于SiC二極管的壓降低且沒有反向恢復(fù)損耗，高壓充電器用它來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出整流。這是因?yàn)樵诟邏合率褂肧i-MOSFET進(jìn)行同步整流（SR）非常復(fù)雜，無(wú)法在二極管上實(shí)現(xiàn)損耗節(jié)省。不過，使用RDS(ON)低的SiC-FET可能更有利。

例如，在占空比為50%，工作電流為100A的情況下，SiC二極管的導(dǎo)電損耗接近100W，但是UF3SC065007K4S的導(dǎo)電損耗僅為45W。此外，SR帶來(lái)了實(shí)現(xiàn)雙向功率流的可能性，允許電動(dòng)車電池將功率返回電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷平衡等好處，并帶來(lái)相應(yīng)的財(cái)務(wù)收入。

固態(tài)斷路器是電動(dòng)車中的重要應(yīng)用，因?yàn)樵诰S修和故障期間必須隔離電池。由于具有常開特征，JFET是天然的斷路器選擇。

向后兼容

由于采用TO-247三腳和四腳封裝，UnitedSiC SiC-FET是電機(jī)驅(qū)動(dòng)中許多IGBT和Si-MOSFET的插入式替代品。這種替代會(huì)帶來(lái)顯著的效率提升，卻不用改變電路，只需使用柵極驅(qū)動(dòng)電阻器和小緩沖電路來(lái)調(diào)整開關(guān)邊緣。柵極驅(qū)動(dòng)電壓要求并非十分關(guān)鍵，通常電壓為0-12V。還可以設(shè)想一下其他好處，如減少基于IGBT的原有設(shè)計(jì)中的現(xiàn)有緩沖電路，以降低損耗和去除并聯(lián)二極管。

憑借UnitedSiC的新一代低RDS(ON)器件，SiC-FET將為電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)革命鋪平道路。