一文讀懂碳化硅設(shè)計(jì)中的熱管理

隨著我們尋求更強(qiáng)大、更小型的電源解決方案，碳化硅 (SiC) 等寬禁帶 (WBG) 材料變得越來(lái)越流行，特別是在一些具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用領(lǐng)域，如汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直流快速充電、儲(chǔ)能電站、不間斷電源和太陽(yáng)能發(fā)電。

這些應(yīng)用有一點(diǎn)非常相似，它們都需要逆變器（圖 1）。它們還需要緊湊且高能效的輕量級(jí)解決方案。就汽車而言，輕量化是為了增加續(xù)航里程，而在太陽(yáng)能應(yīng)用中，這是為了限制太陽(yáng)能設(shè)備在屋頂上的重量。

圖 1.典型的 EV 動(dòng)力總成，其中顯示了逆變器

半導(dǎo)體損耗

決定逆變器效率的主要因素之一是所使用的半導(dǎo)體器件（IGBT / MOSFET）。這些器件表現(xiàn)出兩種主要類型的損耗：導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗與開(kāi)通狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻 (RDS(ON)) 成 正比，計(jì)算方法為漏極電流 (ID) 與漏源電壓 (VDS) 的乘積。

將 SiC MOSFET 的 VDS 特性與類似 Si IGBT 的特性進(jìn)行比較，可以觀察到，對(duì)于給定電 流，SiC 器件的 VDS 通常較低。還值得注意的是，與 IGBT 不同，SiC MOSFET 中的 VDS 與 ID成正比，這意味著它在低電流下的導(dǎo)通損耗會(huì)顯著降低。這在高功率應(yīng)用（例如汽車和太陽(yáng)能）中非常重要，因?yàn)樗馕吨谶@些應(yīng)用中，逆變器在其工作生命周期的大部分時(shí)間處于小功率工 況，效率會(huì)有顯著提高，損耗更低。

圖 2.Si IGBT 和 SiC MOSFET 的 VDS 比較

驅(qū)動(dòng)損耗與開(kāi)關(guān)器件所需的柵極電荷 (Qg) 成正比。這是每個(gè)開(kāi)關(guān)周期都需要的，使其與開(kāi)關(guān)頻率成正比，并且 Si MOSFET 比 SiC 器件更大。設(shè)計(jì)人員熱衷于提高開(kāi)關(guān)頻率以減小磁性元件的尺寸、重量和成本，這意味著使用 SiC 器件會(huì)帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)。

熱管理影響

電源系統(tǒng)中的所有損耗都會(huì)變成熱量，這會(huì)影響元件密度，從而增加終端應(yīng)用的尺寸。發(fā)熱組件不僅會(huì)升高其自身的內(nèi)部溫度，還會(huì)升高整個(gè)應(yīng)用的環(huán)境溫度。為確保溫升不會(huì)限制運(yùn)行甚至導(dǎo)致組件故障，需要在設(shè)計(jì)中進(jìn)行熱管理。

SiC MOSFET 能夠在比硅器件更高的頻率和溫度下運(yùn)行。由于它們可以承受更高的工作溫度，因此減少了對(duì)熱管理的需求，可以允許器件本身產(chǎn)生更大的熱量。這意味著，將基于硅的設(shè)計(jì)與等效的基于 SiC 的設(shè)計(jì)進(jìn)行比較時(shí)，熱管理要求要低得多，因?yàn)?SiC 系統(tǒng)產(chǎn)生的損耗更低，并且可以在更高的溫度下運(yùn)行。

通過(guò)比較，一個(gè)典型的 SiC 二極管在 80kHz 下工作時(shí)，損耗比同等硅二極管低 73%。因此， 在太陽(yáng)能應(yīng)用和電動(dòng)汽車的大功率逆變器中，SiC 器件的效率優(yōu)勢(shì)將對(duì)降低電力系統(tǒng)的熱管理需 求產(chǎn)生非常顯著的影響，可能降低 80% 或更多。

基于SiC的電源系統(tǒng)的總成本

盡管 SiC 器件投入實(shí)際使用已經(jīng)有一段時(shí)間了，但人們認(rèn)為基于 SiC 的設(shè)計(jì)最終成本將高于硅基設(shè)計(jì)，因而在某些方面減緩了 SiC 器件的采用速度。然而，若是直接比較硅基器件和SiC 器件的相對(duì)成本，而不考慮每種技術(shù)對(duì)整體系統(tǒng)成本的影響，可能會(huì)使設(shè)計(jì)人員得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

如果我們考慮 30 kW 左右的硅基電源解決方案，用于開(kāi)關(guān)的半導(dǎo)體器件加起來(lái)約占物料清單成本的10%。主要的無(wú)源元件（電感器和電容器）占剩余成本的大部分，分別為 60% 和 30%。

雖然 SiC 器件的單位成本確實(shí)高于等效的硅基器件，但 SiC 器件的性能降低了對(duì)電感器和電容器的要求，顯著降低了系統(tǒng)的尺寸、重量和成本。僅此一項(xiàng)就可以將 SiC 的物料清單的總成本低于同等硅基解決方案。然而，正如我們所見(jiàn)，基于 SiC 的解決方案中的熱管理成本也明顯更低。因此，加上這種成本節(jié)約意味著 SiC 設(shè)計(jì)更高效、更小、更輕，而且一定程度上成本更低。

安森美 (onsemi) 最新的 1200 V 和 900 V N 溝道 EliteSiC MOSFET具有低反向恢復(fù)電荷的體二極管，可以顯著降低損耗，即使在更高的頻率下操作也是如此。芯片尺寸小有助于高頻操作，減少柵極電荷，減小米勒 (Crss) 和輸出 (Coss) 寄生電容，從而減少開(kāi)關(guān)損耗。

這些新器件的 ID 額定電流高達(dá) 118 A，可提高整體系統(tǒng)效率并改善EMI，同時(shí)允許設(shè)計(jì)人員使用更少（和更?。┑臒o(wú)源元件。如果需要處理更高電流，這些器件可以配置為并聯(lián)工作，因?yàn)樗鼈兙哂姓郎囟认禂?shù)而不受溫度影響。

主要有兩種熱管理方法：主動(dòng)或被動(dòng)。被動(dòng)方法使用散熱片或其他類似器件（例如熱管）將多余的熱量從發(fā)熱器件轉(zhuǎn)移到外殼，進(jìn)而消散到周圍環(huán)境中。散熱片的散熱能力隨著尺寸的增加而增加，散熱能力與可用的表面積成正比，為了在最小的體積中實(shí)現(xiàn)最大的表面積，這通常會(huì)引入復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

主動(dòng)散熱通常涉及某種形式的降溫裝置，例如電動(dòng)汽車應(yīng)用中的風(fēng)扇或冷卻液。由于它們會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)制氣流，因此它們可以在受限空間內(nèi)提供更多散熱。然而，也有一些明顯的缺點(diǎn)，包括風(fēng)扇可靠性和需要在逆變器外殼上開(kāi)孔以允許氣流流通（這也可能導(dǎo)致灰塵或液體進(jìn)入）。此外，風(fēng)扇需要額外的電能才能運(yùn)行，這會(huì)影響整體系統(tǒng)的效率。

總結(jié)

電源設(shè)計(jì)人員面臨著提供更高效、更可靠和體積更小的解決方案的挑戰(zhàn)，他們正在尋求 SiC 等新技術(shù)來(lái)幫助他們應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)并降低總成本。

基于 SiC 的開(kāi)關(guān)器件使設(shè)計(jì)人員能夠讓系統(tǒng)在更高的溫度和頻率下以更低的損耗運(yùn)行，這是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。此外，這些電氣性能優(yōu)勢(shì)意味著無(wú)源器件的熱管理要求和元件值的顯著降低，從而進(jìn)一步降低成本和尺寸/重量。因此，SiC 方案能夠以更小的尺寸和更低的成本實(shí)現(xiàn)更高的性能水平。