寬帶隙SiC如何加速電動(dòng)車(chē)創(chuàng )新

客戶(hù)對單次充電行駛里程堪比內燃機車(chē)輛的電動(dòng)車(chē)（EV）的需求現已超過(guò)技術(shù)本身的發(fā)展，而且關(guān)鍵是，還需要這種電動(dòng)車(chē)有一個(gè)較為平易近人的價(jià)格。使用碳化硅等半導體技術(shù)打造的更為高效的傳動(dòng)系統讓工程師能以經(jīng)濟實(shí)惠的方式滿(mǎn)足對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(chē)正在逐漸成為主流。2019年，全球電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量超過(guò)210萬(wàn)。國際能源署報告《2020年全球電動(dòng)車(chē)展望》稱(chēng)，2019年有超過(guò)720萬(wàn)輛電動(dòng)客車(chē)上路行駛。然而，電動(dòng)車(chē)數量是否會(huì )繼續增長(cháng)取決于許多因素。主要市場(chǎng)中的購買(mǎi)補貼削減是電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量顯著(zhù)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(chē)輛產(chǎn)量的主要影響因素。不過(guò)，充電基礎設施改善、消費者期盼的未來(lái)技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的車(chē)輛價(jià)格下降與十分重要的更長(cháng)單次充電行駛里程仍然是關(guān)鍵挑戰。

電池和電動(dòng)機制造商已經(jīng)接近已知技術(shù)能所達到的性能上限。但是，在傳動(dòng)系統中，即在電池能量轉化成供電動(dòng)機使用的三相交流電的過(guò)程中，傳統設計存在顯而易見(jiàn)的升級方式。這就是碳化硅（SiC）等寬帶隙半導體的用武之地。

部分電動(dòng)車(chē)應用已經(jīng)開(kāi)始使用SiC技術(shù)，其中很大一部分是低功率應用，如電池充電器、輔助直流轉換器和固態(tài)斷路器。然而，傳動(dòng)系統功率設計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電阻、更好的穩健性且更容易應用?，F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(jiàn)圖1）。當柵極高時(shí)，MOSFET讓JFET柵源短接，從而將其打開(kāi)。當柵極低時(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。結果是產(chǎn)生了柵極驅動(dòng)簡(jiǎn)單的常關(guān)型器件。此外，它擁有SiC器件的全部?jì)?yōu)點(diǎn)，具有低通導電阻，能在高壓高溫下運行，具有一體的體二極管效應和出色的反向恢復特征。

圖1 堆疊式共源共柵構造 - 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，但是現在，JFET版本的共源共柵在高壓額定值下實(shí)現了出色的通導電阻，從而接近“理想”開(kāi)關(guān)。表1用數據說(shuō)話(huà)，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T(mén)O-247封裝規格，部分采用4引腳開(kāi)爾文連接，以獲得最佳柵極驅動(dòng)。

表1 最新一代UnitedSiC SiC-FET的性能

低漏源通導電阻值（R_DS(ON)）、低輸出電容值（COSS）和低開(kāi)關(guān)能耗值（EON和EOFF）可以將導電損耗降至最低。此外，帶電感負載的開(kāi)關(guān)必須能“換向”，即允許反向導電，例如電機驅動(dòng)中的開(kāi)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，但是性能相對較差，并且在運行溫度下有高正向壓降和顯著(zhù)的恢復損耗。然而，SiC-FET允許通過(guò)溝道跨已經(jīng)很低的通導電阻有效反向導電，且無(wú)存儲電荷效應，正向壓降低。封裝中的堆疊式Si-MOSFET也會(huì )反向導電，但是由于屬于優(yōu)化的低壓類(lèi)型，它的體二極管壓降小，不會(huì )增加恢復損耗。

最新一代SiC-FET的損耗低于傳統IGBT方法并有額外的附帶優(yōu)勢。表2顯示了6個(gè)功率電平下的計算損耗，并對比了當前先進(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(chē)應用中的IGBT與SiC-FET的總導電和開(kāi)關(guān)損耗對比

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

寬帶隙技術(shù)相對較新，對其實(shí)際可靠性的疑慮是可以理解的。不過(guò)，最新一代SiC-FET部件現在已有大量測試數據，并使用成熟的生產(chǎn)工藝來(lái)保證穩健性。它們還擁有內置優(yōu)勢，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，并有溝道自適應偏壓能力，可激活過(guò)壓模式，從而吸收高達數焦耳的暫態(tài)能量。

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

電動(dòng)車(chē)充電

SiC-FET也是快速充電器應用的理想選擇，在這種應用中，它們能夠在PFC前端和主直流轉換級中提供峰值效率，這二者通常都使用相移全橋或LLC拓撲結構。由于SiC二極管的壓降低且沒(méi)有反向恢復損耗，高壓充電器用它來(lái)實(shí)現輸出整流。這是因為在高壓下使用Si-MOSFET進(jìn)行同步整流（SR）非常復雜，無(wú)法在二極管上實(shí)現損耗節省。不過(guò)，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二極管的導電損耗接近100W，但是UF3SC065007K4S的導電損耗僅為45W。此外，SR帶來(lái)了實(shí)現雙向功率流的可能性，允許電動(dòng)車(chē)電池將功率返回電網(wǎng)，實(shí)現電力負荷平衡等好處，并帶來(lái)相應的財務(wù)收入。

固態(tài)斷路器是電動(dòng)車(chē)中的重要應用，因為在維修和故障期間必須隔離電池。由于具有常開(kāi)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是電機驅動(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(zhù)的效率提升，卻不用改變電路，只需使用柵極驅動(dòng)電阻器和小緩沖電路來(lái)調整開(kāi)關(guān)邊緣。柵極驅動(dòng)電壓要求并非十分關(guān)鍵，通常電壓為0-12V。還可以設想一下其他好處，如減少基于IGBT的原有設計中的現有緩沖電路，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(chē)傳動(dòng)系統革命鋪平道路。