碳化硅MOSFET在汽車動(dòng)力逆變器中的優(yōu)勢(shì)有哪些呢？

新型電子研發(fā)組件在不斷發(fā)展，也隨之而來的是取得的成果。公司不斷嘗試開發(fā)越來越多的性能設(shè)備，特點(diǎn)是更高的效率和更好的電氣特性。碳化硅（SiC）技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要與其電氣有關(guān)電阻。使用這項(xiàng)技術(shù)，可以獲得相同的電阻比使用硅基技術(shù)但采用更小的質(zhì)量。更小和因此，可以開發(fā)更高效的組件。由于開關(guān)損耗減少，可以使用較小的無源在更高的頻率下工作組件。

此外，碳化硅器件可以運(yùn)行在更高的溫度下，可以采用降低熱設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。他們因此，為汽車領(lǐng)域提供了理想的解決方案。更多好處使用碳化硅產(chǎn)生的損耗如下：功率損耗，最多可降低十倍，可以實(shí)現(xiàn);設(shè)備可以在更高的電壓下工作，具有電斷裂場(chǎng)（V/cm）增加了10倍;冷卻系數(shù)增加了兩倍（導(dǎo)熱系數(shù)寬/厘米x°C）;系數(shù)<>可改善頻率響應(yīng)。這些出色的電氣和物理特性是原因大多數(shù)公司都使用碳化硅作為其主要技術(shù)。

應(yīng)用

在過去幾年中，制造基于SiC的逆變器原型的汽車公司數(shù)量急劇增加。如今，80%的汽車傳動(dòng)系統(tǒng)活動(dòng)以某種方式涉及SiC，其余20%可能會(huì)效仿。

這SiC功率MOSFET、二極管和模塊的主要汽車應(yīng)用包括車載電動(dòng)汽車（EV）充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器。P嵌式混合動(dòng)力EV和電池EV（純電動(dòng)汽車）用途車載充電器，用于在家中或公共場(chǎng)所為車輛電池“加油”充電站。工作原理非常簡(jiǎn)單：充電器需要插座功率為90至265 VAC并將其轉(zhuǎn)換為直流電為電池充電。傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備用于純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成和商用車。這傳動(dòng)系統(tǒng)是一項(xiàng)重要且具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。結(jié)果它為創(chuàng)新提供了巨大的機(jī)會(huì)。

SiC MOSFET提供業(yè)界最低的開關(guān)損耗和最高的品質(zhì)因數(shù)。

E系列MOSFET（圖1）是針對(duì)電動(dòng)汽車電池充電器和高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了優(yōu)化，以及在Wolfspeed的6.6 kW雙向車載參考設(shè)計(jì)中采用充電器。

電動(dòng)汽車操作

圖2顯示了一個(gè)框圖，說明了基本電動(dòng)汽車的操作。我們可以看到與主相關(guān)的塊功能，例如車載充電器（允許連接到外部交流充電站）、無線充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器（允許連接到DC快速充電站），以及逆變器—本文的主題。

電動(dòng)汽車開發(fā)人員的首要任務(wù)是最大限度地利用車輛在電池充電后可以行駛的距離。在2012-2013年，電動(dòng)汽車可以使用可用的高性能蓄能器保證約140公里的續(xù)航里程當(dāng)時(shí)。如今，電池容量已大大增加，允許旅行兩次充電之間的距離為400公里或更長(zhǎng)。這確實(shí)是一個(gè)偉大的結(jié)果，與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)所能獲得的相當(dāng)。不過更長(zhǎng)的距離能力需要更大的電池，而這反過來又需要更長(zhǎng)的充電時(shí)間和車輛布線，可以支持必要的提高功率水平。

現(xiàn)有充電站可提供高功率水平，大約350 kWh或更高，因此已經(jīng)具備支持在不久的將來，對(duì)充電的需求將不斷增加。上在車輛方面，SiC被廣泛用于提供所需的更高效率和高功率功能。

圖3顯示了非常常見的EV的原理圖充電器，能夠提供3.6至7.2 kWh的低功率。布局基于兩級(jí)功率因數(shù)校正（PFC）電路和隔離式為高壓電池供電的DC/DC轉(zhuǎn)換器。用于改善功率系數(shù)操作時(shí)，升壓二極管通常基于SiC技術(shù)。在原理圖，升壓二極管是標(biāo)準(zhǔn)元件，而不是附加組件解決方案，正如人們可能錯(cuò)誤地假設(shè)的那樣。碳化硅二極管允許更高的開關(guān)量頻率比硅基等效物。期間記錄的波形對(duì)羅姆的碳化硅二極管進(jìn)行了多項(xiàng)測(cè)試半導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)極好，與使用標(biāo)準(zhǔn)650V快速硅二極管獲得的結(jié)果。碳化硅二極管的溫度依賴性幾乎不存在，使其成為理想的解決方案適用于最苛刻的應(yīng)用。

電動(dòng)方程式逆變器

更換絕緣柵雙極晶體管基于（IGBT）的逆變器與基于碳化硅的逆變器可以增加功率10%。使用SiC時(shí)，開關(guān)頻率的最大變化為24 kHz，而SiC為16 kHz等效于IGBT的kHz。解決方案的總重量從15 kg到9 kg，總?cè)莘e從14升下降到10升（30%減少）。由于羅門半導(dǎo)體執(zhí)行的測(cè)試，可用功率增加。對(duì)于電動(dòng)方程式賽車來說，這意味著快速加速，幫助賽車在起跑線上達(dá)到最高速度競(jìng)爭(zhēng)并與頂級(jí)完成者一起越過終點(diǎn)線。

但是也必須考慮電池，因?yàn)樗鼪Q定可用能量的數(shù)量。進(jìn)行了碳化硅MOSFET仿真和羅姆半導(dǎo)體的分析揭示了該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)。用于模擬的標(biāo)準(zhǔn)配置文件，3B類WLTP，測(cè)量速度，轉(zhuǎn)數(shù)（RPM）和扭矩。仿真參考了100 kWh發(fā)動(dòng)機(jī)、16kHz開關(guān)頻率和750 V/33 kWh電池。二電源比較模塊：BSM600D12 SiC 12，000-V/600-A模塊和SKIM459GD12E4 IGBT模塊。

羅姆進(jìn)行了多次模擬并分析了結(jié)果。它發(fā)現(xiàn)使用SiC功率模塊行駛了177公里的距離，向上從IGBT版本獲得的159公里（圖4）。因此，它結(jié)論是，僅僅改變制造技術(shù)就可能導(dǎo)致為客戶提供直接和切實(shí)的利益，他們可以設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)可以在電池相同尺寸或允許使用更小的電池，總成本較低，不影響性能（兩次充電之間的行程距離）客戶—駕駛員。

展望未來，我們期待功率密度增加。換句話說，所有的努力都集中在從最小的合理性中獲得盡可能高的能量腳印。因此，更高功率的發(fā)動(dòng)機(jī)將用更小的組件，降低每千瓦時(shí)的價(jià)格。

與傳統(tǒng)的硅基器件相比，SiC功率器件需要更復(fù)雜，因此更昂貴的制造步驟。然而，最終，SiC的功率密度優(yōu)勢(shì)將使成本/性能等式向有利于其的方向轉(zhuǎn)變。SiC將在汽車應(yīng)用、DC/C充電電路和電源轉(zhuǎn)換器中得到更廣泛的采用。SiC逆變器將繼續(xù)取代硅基IGBT逆變器，因?yàn)樵絹碓蕉嗟拈_發(fā)人員希望利用碳化硅的效率和功率密度優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：劉清