WBG技術及其在汽車EV電子領域的作用

汽車制造商越來越多地開發(fā)電動汽車（EV），但他們的短距離駕駛范圍仍然存在問題。雖然空氣動力學設計，更輕的材料和更高效的電力使用確實有幫助，但這還不夠。汽車電力電子設計人員需要使用先進的寬帶隙半導體（WBG）材料來滿足效率和功率密度要求。

這些材料主要由氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）組成，是對硅（Si）金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等現(xiàn)有半導體技術的改進。更低的損耗，更高的開關頻率，更高的工作溫度，惡劣環(huán)境下的堅固性以及高擊穿電壓。它們特別有用，因為該行業(yè)正朝著更高容量的電池發(fā)展，這些電池在高電壓下工作，充電時間更短，總體損耗更低。

本文將簡要概述WBG技術及其在汽車EV電子領域的作用。然后，它將從ROHM Semiconductor，STMicroelectronics，Transphorm和Infineon Technologies推出合適的GaN和SiC解決方案，并為其應用提供指導。

WBG半導體的優(yōu)勢

通過回顧，帶隙是將電子從材料的價帶激發(fā)到導帶所需的能量，WBG材料的帶隙明顯大于硅的帶隙（圖1）。而Si的帶隙為1.1電子伏特（eV）;SiC具有3.3eV的帶隙，GaN具有3.4eV的帶隙。

圖1：Si半導體在導帶和價帶之間的帶隙比SiC和GaN窄，因此后兩者的名稱為“寬帶隙半導體”。（圖片來源：STMicroelectronics）

WBG半導體允許器件在比傳統(tǒng)硅更高的電壓，頻率和溫度下工作。更重要的是，開關和傳導損耗更低。WB的材料具有比Si大約十倍的導通和開關特性。這些能力使WBG技術成為電力電子產(chǎn)品的天然尺寸，尤其適用于電動汽車，因為SiC和GaN元件可以做得更小，操作更快，效率更高。

WBG設備的優(yōu)勢必須與制造復雜性和大批量生產(chǎn)的更高成本相平衡。雖然WBG組件最初可能更昂貴，但其成本繼續(xù)下降，并且一般而言，它們將實現(xiàn)整體系統(tǒng)成本節(jié)省。例如，在EV中使用SiC器件可能會增加數(shù)百美元的額外前期成本，但由于電池成本降低，空間需求降低以及更小的散熱器或對流冷卻等更簡單的冷卻措施，可以節(jié)省總體成本。

SiC用于主逆變器

牽引逆變器控制EV中的牽引電動機，是可以受益于WBG部件的關鍵EV系統(tǒng)的示例。逆變器的核心功能是將直流電壓轉換為三相交流波形，以驅動EV的電機，然后將再生制動產(chǎn)生的交流電壓轉換回直流電壓，為電池充電。由于逆變器將存儲在電池組中的能量轉換為AC以驅動電動機，因此能量轉換中的損失越低，系統(tǒng)越有效。與硅相比，SiC器件的增強的導電性和更快的開關頻率降低了功率損耗，因為作為熱量損失的能量更少。最終，基于SiC的逆變器的更高效率將顯示為更高的EV里程。

處理大電流的電源模塊通常是IGBT類型，將Si IGBT與Si快速恢復二極管（FRD）相結合，這是汽車逆變器模塊中常用的配置。然而，與Si IGBT現(xiàn)有器件相比，SiC提供更高的工作溫度和更高的開關速度。這些功能對于牽引逆變器而言是最佳選擇，因為它們需要將大量能量傳輸?shù)诫姵睾蛷碾姵貍鬏敗?/p>

原因如下：由于IGBT是開關元件，其開關速度（導通時間，關斷時間）是影響效率（損耗）的關鍵參數(shù)之一。對于IGBT，在開關性能的代價下實現(xiàn)了高擊穿電壓下的低電阻;在器件關斷期間存在“耗散時間”，這會增加開關損耗。結果，IGBT具有相對低的效率。如果在逆變器模塊中使用MOSFET代替IGBT，則可以實現(xiàn)更高的效率，因為它們具有更短的關斷時間和更高的工作頻率。然而，Si MOSFET也存在問題;與Si IGBT相比，它們具有較大的“導通”電阻。

利用SiC的有利特性，與IGBT相比，芯片面積幾乎減小一半的SiC MOSFET可以結合電源開關的四個理想特性：

高壓

阻力低

切換速度快

低開關損耗（特別是關斷損耗）

更寬的帶隙還意味著SiC器件通?？梢栽?50°C至175°C的溫度范圍內工作，并且在正確封裝時，200°C或更高。

作為SiC肖特基勢壘二極管（SBD），在SiC SBD中，形成與SiC半導體的金屬結以獲得肖特基勢壘。但與硅FRD不同，它們的優(yōu)勢在寬電流和工作溫度范圍內不會發(fā)生顯著變化。SiC部件的介電擊穿場也比硅高出十倍。因此，目前正在大規(guī)模生產(chǎn)額定電壓為1200伏的SiC產(chǎn)品，因此成本相應下降。此外，額定電壓為1700伏的產(chǎn)品正在開發(fā)中。

SiC二極管也不會顯示正向和反向恢復損耗，只是少量的容量電荷損耗。研究表明，采用SiC SBD的開關損耗比Si快恢復二極管低90％，其中結溫會影響恢復電流和恢復時間。結果，與Si二極管相比，SiC二極管產(chǎn)生相當?shù)偷钠焚|因數(shù)（FoM）（Qc×Vf）。較低的FOM意味著較低的功率損耗，因此具有更好的電氣性。

碳化硅材料存在一些缺點。其中一個是正熱系數(shù)，意味著溫度越高，正向電壓（Vf）越高。如果通過二極管的電流增加，則正向壓降也會增加。當向二極管施加較高電流時，這種傳導損耗會導致熱失控。

然而，SiC MOSFET和SBD結合在一起，使系統(tǒng)設計人員能夠提高效率，降低散熱器的尺寸和成本，提高開關頻率以減小磁性元件的尺寸，并縮小最終設計的成本，尺寸和重量。使用SiC的EV逆變器可以比Si基等效物小5倍，輕3倍，功率損耗低50％。

例如，ROHM Semiconductor開發(fā)了BSM300D12P2E001半橋SiC功率模塊，將SiC MOSFET與SiC SBD集成在一個封裝中，最大限度地降低了先前由IGBT尾電流和FRD恢復損耗引起的開關損耗（圖2）。

圖2：與IGBT模塊相比，集成SiC MOSFET和SBD的全SiC功率模塊可實現(xiàn)更低的損耗，即使在高速開關操作期間也是如此。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

與IGBT相比，ROHM Semiconductor的SiC基MOSFET具有73％的規(guī)定損耗降低。它們的MOSFET系列可以處理高達1700伏的電壓，導通電阻范圍為45毫歐（mΩ）至1150mΩ。它們采用TO-247N，TO-3PFM，TO-268-L和TO-220封裝。

ROHM還生產(chǎn)符合AEC-Q101標準的汽車級SiC肖特基勢壘二極管，具有恢復時間短，高速開關能力，低溫度依賴性，低正向電壓以及在6至20安培電流下可處理高達650伏特的能力（一個）。

SiC器件在電動汽車中的作用

特斯拉是第一家為其主逆變器集成全SiC功率模塊的電動汽車制造商，在特斯拉3型轎車中也是如此。特斯拉以前的車型，S型和X型，采用TO-247封裝的IGBT。與意法半導體合作，特斯拉逆變器由組裝在散熱器上的SiC功率模塊組成。1與STMicroelectronics的SCT10N120一樣，MOSFET的額定電壓為650伏，并使用銅基板進行散熱。

用于EV的充電裝置在工廠安裝，稱為“車載充電器”（OBC）。在EV或插電式混合動力EV（PHEV）中，OBC提供了在家中或從私人或公共充電站中的插座為AC電源充電的方法。OBC使用AC / DC轉換器將50/60赫茲（Hz）交流電壓（100至240伏）轉換為直流電壓，為高壓牽引電池充電（通常約為400伏直流電）。它還根據(jù)電池要求調整直流電平，提供電流隔離，并包括交流/直流功率因數(shù)校正（PFC）（圖3）。

圖3：在典型的EV OBC中，SiC二極管可用于例如PFC級作為升壓二極管或與圖騰柱拓撲中的N溝道IGBT并聯(lián)。（圖片來源：英飛凌科技）

GaN獲得效率的牽引力

OBC的設計要求是具有最高的效率和可靠性，以確?？焖俪潆姇r間，同時滿足EV制造商有限的空間和重量要求。使用GaN技術的OBC設計可以簡化EV冷卻系統(tǒng)并減少充電時間和功率損耗。商用GaN功率器件在汽車市場份額方面落后于SiC，但它們表現(xiàn)出令人印象深刻的性能并且正在迅速獲得牽引力。與SiC器件一樣，GaN器件具有更低的開關損耗，更快的開關速度，更高的功率密度，并可實現(xiàn)整體系統(tǒng)尺寸，重量和成本降低。

例如，Transphorm的TP65H035WSQA是符合汽車級AEC-Q101標準的GaN FET，在鑒定測試期間的溫度高達175°C（圖4）。該器件采用標準TO-247封裝，典型導通電阻為35mΩ。與其前代產(chǎn)品49mΩGenII TPH3205WSBQA一樣，該器件適用于插入式混合動力電動汽車和電池電動汽車的AC / DC OBC，DC / DC轉換器和DC / AC逆變器系統(tǒng)，可實現(xiàn)交流/直流無橋圖騰柱PFC設計。

圖4：TransphormTPH3205WSBQA 650伏，49mΩGaNFET符合汽車標準，已通過汽車級分立半導體的AEC-Q101壓力測試。（圖片來源：Transphorm）

雖然典型的Si MOSFET具有50伏/納秒（ns）的最大dV / dt額定值，但TP65H035WS GaN FET將以100伏/秒或更高的dV / dt切換，以實現(xiàn)盡可能低的開關損耗。在這種操作水平下，即使布局也會成為性能的重要因素。推薦的布局保持最小的柵極驅動環(huán)路，并保持開關節(jié)點之間的走線非常短，最短的實際返回走線到電源總線和地。電源接地平面提供了大的橫截面積，以在整個電路中實現(xiàn)均勻的地電位。布局小心地將電源地和IC（小信號）接地分開，僅將它們連接到FET的源極引腳，以避免任何可能的接地回路。

英飛凌的AIDW20S65C5XKSA1是該公司第五代CoolSiC汽車肖特基二極管的一部分，也是混合動力汽車和電動汽車中OBC應用的開發(fā)，是該公司IGBT和CoolMOS產(chǎn)品系列的補充，可滿足650伏級汽車應用的要求。

得益于新的鈍化層概念，這是市場上最耐用的汽車設備之一，具有耐濕性和耐腐蝕性。由于它基于110微米（μm）薄晶圓技術，因此它也展示了同類產(chǎn)品中最好的FOM之一，這意味著更低的功率損耗，從而提高電氣性能。

與傳統(tǒng)的Si FRD相比，英飛凌CoolSiC汽車肖特基二極管可在所有負載條件下將OBC的效率提高一個百分點。

使用SiC和GaN器件

除了前面提到的精心布局外，SiC部件的一個潛在問題是它們的驅動要求，這與IGBT器件非常不同。雖然大多數(shù)晶體管通常具有使用對稱軌道（例如±5伏）的驅動要求，但SiC器件需要較小的負電壓以確保它們完全關閉，因此它們需要不對稱的軌道（例如-1伏至-20）伏）。

此外，雖然SiC具有優(yōu)異的熱性能并且與硅相比能夠傳導大量的熱能，但是SiC部件可以使用設計并用于Si的封裝來容納，例如芯片鍵合和引線鍵合。雖然這種封裝方法可以很好地與SiC配合使用，但它僅適用于低頻電路（幾十kHz）。一旦使用高頻，寄生電容和電感就會變得太大，從而阻止了基于SiC的器件實現(xiàn)其全部潛力。

同樣，要充分利用GaN器件，封裝必須具有極低的寄生電感和高熱性能。新的封裝方法，例如在類似于多層印刷電路板的封裝中嵌入芯片，以低成本實現(xiàn)了所需的性能，同時還消除了導致其自身器件可靠性問題的引線鍵合。

作為控制器和功率器件之間接口的關鍵元件是柵極驅動器。對于采用新器件的電子設計人員來說，柵極驅動設計始終是一個問題，因此了解如何驅動SiC和GaN功率器件非常重要。要求是：

高電源電壓，通過低傳導損耗實現(xiàn)高效率

高驅動強度，實現(xiàn)低開關損耗

快速短路保護

較小的傳播延遲和變化，實現(xiàn)高效率和快速系統(tǒng)控制

高dv / dt免疫力

一些早期的GaN器件需要特殊的驅動器來防止柵極過壓?，F(xiàn)在可以使用具有寬Vg容差的新一代E-HEMT，只需改變柵極電壓，就可以通過許多標準MOSFET驅動器驅動。GaN FET是橫向器件，因此需要相對低的最佳驅動電壓。因此，總體而言，GaN器件對Si MOSFET和IGBT具有類似的柵極驅動要求。要求包括：

較小的柵極電荷 - 較低的驅動損耗，較快的上升和下降時間

降低柵極電壓

負電壓可提高柵極驅動的穩(wěn)健性

使用柵極電阻控制壓擺率

好處是許多SiC和GaN解決方案供應商都在包裝內部添加了額外的電子元件，因此它們可以直接替代當前的設計。

結論

為了滿足逆變器和車載充電器等EV系統(tǒng)的效率和功率密度要求，汽車電力電子設計人員現(xiàn)在能夠利用更先進的WBG半導體，如SiC和GaN。與傳統(tǒng)的硅器件相比，它們具有更低的損耗，更高的開關頻率，更高的工作溫度，惡劣環(huán)境下的穩(wěn)健性以及高擊穿電壓。

GaN和SiC可以在更高的溫度下工作，具有相似的預期壽命，或者可以在與具有更長壽命的Si器件相似的溫度下工作。這為設計工程師提供了不同的設計路徑，具體取決于應用要求。

使用WBG材料還允許設計人員從多種策略中進行選擇以適應他們的設計目標：使用相同的開關頻率并增加輸出功率;使用相同的開關頻率，減少系統(tǒng)所需的散熱量，節(jié)省總成本;或者增加開關頻率，同時保持開關中相同的功率損耗