寬帶隙SiC如何加速電動車創(chuàng)新

客戶對單次充電行駛里程堪比內(nèi)燃機車輛的電動車（EV）的需求現(xiàn)已超過技術本身的發(fā)展，而且關鍵是，還需要這種電動車有一個較為平易近人的價格。使用碳化硅等半導體技術打造的更為高效的傳動系統(tǒng)讓工程師能以經(jīng)濟實惠的方式滿足對高壓和大功率的需求。

由于價格下降，行駛里程增加，電動車正在逐漸成為主流。2019年，全球電動車銷量超過210萬。國際能源署報告《2020年全球電動車展望》稱，2019年有超過720萬輛電動客車上路行駛。然而，電動車數(shù)量是否會繼續(xù)增長取決于許多因素。主要市場中的購買補貼削減是電動車銷量顯著下跌的一個誘因。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，充電基礎設施改善、消費者期盼的未來技術進步帶來的車輛價格下降與十分重要的更長單次充電行駛里程仍然是關鍵挑戰(zhàn)。

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

部分電動車應用已經(jīng)開始使用SiC技術，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，傳動系統(tǒng)功率設計師一直不愿意使用這種技術，而是在等待這種技術有可以接受的低通導電阻、更好的穩(wěn)健性且更容易應用?，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晶體管且晶體管上下堆疊的器件，它將一個高壓SiC JFET與一個優(yōu)化的低壓Si-MOSFET串聯(lián)（見圖1）。當柵極高時，MOSFET讓JFET柵源短接，從而將其打開。當柵極低時，MOSFET漏極電壓升高直至JFET夾止（即溝道關閉），此時電壓約為10V。結果是產(chǎn)生了柵極驅(qū)動簡單的常關型器件。此外，它擁有SiC器件的全部優(yōu)點，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)存在一段時間了，但是現(xiàn)在，JFET版本的共源共柵在高壓額定值下實現(xiàn)了出色的通導電阻，從而接近“理想”開關。表1用數(shù)據(jù)說話，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。

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）和低開關能耗值（EON和EOFF）可以將導電損耗降至最低。此外，帶電感負載的開關必須能“換向”，即允許反向?qū)щ?，例如電機驅(qū)動中的開關。

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的恢復損耗。然而，SiC-FET允許通過溝道跨已經(jīng)很低的通導電阻有效反向?qū)щ?，且無存儲電荷效應，正向壓降低。封裝中的堆疊式Si-MOSFET也會反向?qū)щ?，但是由于屬于?yōu)化的低壓類型，它的體二極管壓降小，不會增加恢復損耗。

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。表2顯示了6個功率電平下的計算損耗，并對比了當前先進的IGBT模塊加并聯(lián)二極管方法與SiC-FET版本。

表2 電動車應用中的IGBT與SiC-FET的總導電和開關損耗對比

在典型的50-100kW電平下，SiC-FET一致實現(xiàn)了近4倍的功耗降低，在200kW電平下，則實現(xiàn)了近3倍的功耗降低。在電動車應用中，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。

寬帶隙技術相對較新，對其實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)在已有大量測試數(shù)據(jù)，并使用成熟的生產(chǎn)工藝來保證穩(wěn)健性。它們還擁有內(nèi)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，可激活過壓模式，從而吸收高達數(shù)焦耳的暫態(tài)能量。

SiC-FET的另一個優(yōu)勢是抗短路穩(wěn)健性。大電流經(jīng)過溝道電阻時會產(chǎn)生負JFET柵偏壓，從而趨向于關閉器件。通過自加熱，溝道電阻的正溫度系數(shù)會進一步減小短路電流。這種效應使SiC-FET易于并聯(lián)，同時有自動電流平衡能力，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一步增強了它的優(yōu)勢。

電動車充電

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有反向恢復損耗，高壓充電器用它來實現(xiàn)輸出整流。這是因為在高壓下使用Si-MOSFET進行同步整流（SR）非常復雜，無法在二極管上實現(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二極管的導電損耗接近100W，但是UF3SC065007K4S的導電損耗僅為45W。此外，SR帶來了實現(xiàn)雙向功率流的可能性，允許電動車電池將功率返回電網(wǎng)，實現(xiàn)電力負荷平衡等好處，并帶來相應的財務收入。

固態(tài)斷路器是電動車中的重要應用，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(qū)動中許多IGBT和Si-MOSFET的插入式替代品。這種替代會帶來顯著的效率提升，卻不用改變電路，只需使用柵極驅(qū)動電阻器和小緩沖電路來調(diào)整開關邊緣。柵極驅(qū)動電壓要求并非十分關鍵，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(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將為電動車傳動系統(tǒng)革命鋪平道路。