真正實(shí)現(xiàn)碳化硅的汽車應(yīng)用資質(zhì)

碳化硅 (SiC) 可為電動汽車 (EV) 領(lǐng)域帶來許多優(yōu)勢：更高的額定電壓、出色的功率轉(zhuǎn)換效率以及應(yīng)對高溫的能力等，也因此一直備受推崇。本博文將討論電動汽車的設(shè)計考慮因素，并探討各種 SiC 技術(shù)如何幫助您克服設(shè)計挑戰(zhàn)。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發(fā)布，該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到電動汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護(hù)、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長的市場。

通過組合不同屬性，碳化硅 (SiC) 已成為電動汽車 (EV) 領(lǐng)域的主要半導(dǎo)體技術(shù)，其器件性能優(yōu)于基于傳統(tǒng)硅 (Si) 器件的性能。其優(yōu)勢包括更高的額定電壓、出色的功率轉(zhuǎn)換效率，以及處理更高溫度的能力。

車載充電器 (OBC)、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器均受益于 SiC 的出眾性能，同時工藝和架構(gòu)的持續(xù)改進(jìn)必然會進(jìn)一步增加其魅力。此類改進(jìn)將擴(kuò)大這種寬帶隙材料的工作參數(shù)范圍，并進(jìn)一步減少功率損耗。與此同時，擴(kuò)大產(chǎn)量所帶來的規(guī)模經(jīng)濟(jì)也必將降低其成本，讓其吸引力倍增。

• 需要加快充電速度。為此，電動汽車工程團(tuán)隊希望部署可在更高電壓下工作的 OBC。于是能夠適應(yīng)這些電壓的 SiC 器件便有了用武之地。常用的 650V 額定電壓器件并不總是能夠滿足要求，我們需要更高額定電壓的半導(dǎo)體來適應(yīng)更高的電池電壓。與此同時，額定電壓為 900V 或 1200V 的相關(guān)器件成本較高，很難大規(guī)模應(yīng)用。可實(shí)現(xiàn)一定程度的電壓提升，但所涉及費(fèi)用不會大幅提高的解決方案將是最優(yōu)選擇。

• 需要支持更高的工作頻率。要提高開關(guān)速度，就必須盡可能地降低開關(guān)損耗。否則效率水平就會降低，且熱管理裝置將需要更多空間。這將增加整體尺寸、重量和成本，所以需加以避免。

• 大幅降低運(yùn)行損耗。這樣就可以延長電動汽車的單次充電續(xù)航里程。這還可以縮小電動汽車的電池尺寸。對于汽車制造商來說，兩者均非常具有吸引力。

• 成本考慮因素。另一個加速從內(nèi)燃機(jī)汽車向電動汽車轉(zhuǎn)變的重要因素就是，制造商是否能夠減少消費(fèi)者購買電動汽車時必須進(jìn)行的投資。如果要做到這一點(diǎn)，就必須控制與各組件相關(guān)的成本。而在總成本中，逆變器元件所占的比例特別大。

事實(shí)證明，認(rèn)識到上述因素的本質(zhì)，以及找到可行性解決方案的迫切性是推動 UnitedSiC 開發(fā)其第四代 SiC 技術(shù)的關(guān)鍵。表1中列出了對其他供應(yīng)商提供的 SiC 技術(shù)的規(guī)范改進(jìn)。表中將額定電壓為 750V 的新型 UJ4C075018K4S SiC FET 與三種 650V SiC MOSFET 替代方案以及一種硅基超結(jié) FET 器件進(jìn)行了比較。盡管第 4 代 SiC FET 具有明顯更高的額定電壓，但該技術(shù)的單位面積導(dǎo)通電阻比其他 SiC MOSFET 的低 2 到 3 倍，且比硅基超結(jié) FET 器件低不止一個數(shù)量級。這意味著 SiC FET 在更小的封裝內(nèi)便能實(shí)現(xiàn)類似的性能。

表 1：UnitedSiC 第 4 代 SiC FET 與 Si 超結(jié)和 SiC 同類競爭器件的比較

SiC FET 采用了高密度溝槽 SiC JFET 結(jié)構(gòu)，因此實(shí)現(xiàn)了超低單位面積導(dǎo)通電阻。該結(jié)構(gòu)與低電壓 Si MOSFET 共同封裝。SiC JFET 的面積更小意味著，對于給定的晶粒尺寸，導(dǎo)通電阻將非常低（圖 1）。與之對應(yīng)的，可以使用電容更低且外形更小巧的 FET，同時將導(dǎo)通電阻保持在可接受的較低水平。

為降低電阻值和熱阻值，同時遏制相關(guān)損耗，SiC 基材的厚度明顯更薄。為保持結(jié)構(gòu)的完整性，需將減薄的基材通過銀 (Ag) 燒結(jié)材料（熱導(dǎo)率比標(biāo)準(zhǔn)焊接材料高 6 倍）連接到銅 (Cu) 引線框。

UnitedSiC 第 4 代 SiC 技術(shù)帶來的其他優(yōu)勢還包括大幅降低相關(guān)柵極驅(qū)動損耗，如表 4 中所示（與表中所列其他器件相比）。這意味著開關(guān)速度可提高三倍，且不會導(dǎo)致柵極驅(qū)動 IC 過熱。也無需使用負(fù)柵極驅(qū)動。由于具有較低的正向壓降 (VFSD) 和最低的反向恢復(fù)電荷 (QRR)，其 VF.QRR 品質(zhì)因數(shù) (FoM) 也非常出色。這是目前市場上任何其他器件都無法比擬的。

圖 1：額定 750V UnitedSiC 第 4 代 SiC FET 與額定 650V FET 競爭產(chǎn)品之間的單位面積導(dǎo)通電阻比較

SiC 已經(jīng)開始用于提高電動汽車動力傳動系統(tǒng)和電池系統(tǒng)的效率，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 Si 半導(dǎo)體技術(shù)限制的性能基準(zhǔn)。下一代 SiC 技術(shù)的出現(xiàn)將進(jìn)一步肯定 SiC 在未來幾年促進(jìn)電動汽車在全球普及的價值。

欲了解更多詳細(xì)信息，請查看我們最近發(fā)表在 Power Systems Design 一月刊上的文章 https://www.powersystemsdesign.com/print-archives-dir/476/。