摘要 
宽带隙(WBG)半导体正在包括电动汽车(EV)在内的各种功率转换中得到应用,凭借其更高的效率和更快的切换速度,可以节省成本、尺寸和能耗。WBG 器件通常用于充电器和辅助转换器,但还尚未在牵引逆变器中大量取代 IGBT。本文介绍了最新一代 SiC FET 如何能够理想地适用于新型逆变器设计,其损耗低于 IGBT,并且即使在高温和多次的应力下也具有非常高的系统短路可靠性。
 
1900 年美国 38%的汽车是电动汽车
是的,你 没有看错,这是事实上[1]。在 1900 年美国所有的汽车中,38%(33,842 台)是由电力驱动,40%由蒸汽驱动,22%由汽油驱动。但是,在亨利•福特(Henry Ford)大规模生产廉价的汽油动力汽车时,电动汽车的百分比急剧下降。如今,道路上行驶的电动汽车百分比不到 1%,但据预测,到 2050 年,美国 65%~75%的轻型汽车将由电力驱动[2]。
 
自 1997 年丰田普锐斯在日本推出以来,现代电动汽车已经大幅改进。目前,先进的电池和电机技术可以提供 300 英里甚至更多的续航里程。针对 2050 年电动汽车市场增长的预测依赖于某些假设:购买可承受性,持续的高油价,更严格的健康和环境法规,以及技术的进一步发展,以及更远的续航里程和更快的充电。
 
从电池能量到车轮动力,EV 具有大约为 59%-62%的转换效率,这似乎还有一些改进的余地。电气工程师可能会大吃一惊,因为现代内燃机正在努力达到 21%的效率。但至少有一个可能的路线图能够提高电动汽车的性能,就是采用新的半导体开关用于动力传动系统。
 
要实现更高的效率,关键是功率转换效率。这不仅仅体现在电机驱动的电子设备中,在照明、空调甚至信息娱乐系统等辅助功能系统中会使用大量能源。因此,已经通过各种措施来减少这些应用中消耗的能量,例如使用 LED 来照明等等。通常需要将主电池电压从 400 V 降至 12 V 或 24 V,用于降压的各种电源转换器现在可以采用最新的拓扑结构和特殊的半导体技术,以实现最佳效率,同时对于非安全关键应用,新技术带来的一些风险完全可以接受。(图 1)
 
图 1:电动汽车中的功率转换部件。(图片来源:美国能源部)
 
对于动力传动系统而言,电机控制电子设备被视为对生命至关重要,因此设计人员必须遵守“安全第一”的原则,并需要采用经过不断试验和测试的技术。实际上,这也意味着 IGBT 开关在过去 30 多年中已经证明其稳健性。例如,在特斯拉 S 型高科技外观下面,是用于控制牵引电机的 66 个 TO-247 封装 IGBT。在 20 世纪 80 年代的工业过程控制器中,同样的 IGBT 应用也非常普遍。只有较新的车型刚刚开始使用 SiC FET。
 
宽带隙半导体目前是电机控制的强有力竞争者
但在许多现代最新的应用中,IGBT 已经被更新的技术所取代,例如硅 MOSFET 和现在采用碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)材料制造的宽带隙(WBG)半导体。宽带隙半导体的突出优势是更快的切换速度,意味着可使用体积更小的磁性元件和电容器等外部组件。这种组合能够实现更高的效率、更小的尺寸和重量,从而降低总体成本。 WBG 器件也可在高温下工作,对于 SiC 而言通常为 200℃,峰值温度允许超过 600℃,具体取决于器件。
 
SiC FET 基础知识以及技术原理
一种特定类型的 WBG 器件是 SiC FET,它是 SiC JFET 和 Si MOSFET 的复合体或“共源共栅(级联)”,其通常设置为 OFF,没有偏压,并可在纳秒级内切换。与 SiC MOSFET 和 GaN 器件相比,它非常易于驱动,其品质因数 RDSA 与芯片面积归一化的导通电阻(ON-resistance)非常出色(图 2)。这种器件由于采用垂直架构,具有极低的内部电容,使开关转换损耗极低。 SiC FET 拥有非常快的体二极管,可减少电机驱动等应用中的损耗,并且不需要使用外部 SiC 肖特基二极管。
 
图 2:SiC FET(共源共栅)RDSA:通过芯片面积比较归一化导通电阻。
 
用于电动汽车动力系统的 SiC FET
那么,面对市场对于更高性能解决方案的巨大需求,为什么这些神奇的器件还没有应用于 EV 电机控制呢?除了汽车系统设计师比较保守的本性之外,还有一些实际的原因:与具有类似额定值的 IGBT 相比,WBG 器件被认为比较昂贵;电机电感不会像 DC-DC 转换器那样按比例缩小,从而使用更高的开关频率没有太大吸引力;高开关速度意味着高 dV / dt 率,可以使电机绕组的绝缘面临更大压力。此外,在通常比较恶劣的电机驱动条件下,人们对于 WBG 器件的可靠性也存在一些疑问,有可能在一般高温环境下产生潜在的短路和反电动势(back-EMFs)。
 
WBG 器件真正的诱惑是其可能的高效率,这意味着更多的可用能量和更远的续航里程。散热器可以做得更小,从而降低成本和重量,这又有助于扩大续航里程。与具有“拐点”电压的 IGBT 相比,在典型工作条件下 WBG 器件的效率得到明显改善,从而能够在所有驱动条件下都可实现最小的功率损耗。如下图 3 所示,我们使用 200A、1200V IGBT 模块与两个 1cmX1cm IGBT 芯片或 200A、1200V SiC FET 模块以及两个 0.6 X 0.6cm SiC 堆叠共源共栅芯片进行比较。
 
图 3:使用 36%IGBT 芯片面积的 1200V SiC FET 的传导损耗。在室温和高温下,对于所有低于 200A 的电流,这个 200A、1200V 模块 SiC FET 的导通压降远低于 IGBT 压降。
 
在给定的模块占位面积下,SiC FET 具有最低的传导损耗。通过全新的设计,WBG 电机驱动器能够以比 IGBT 更高的频率切换,并且设计有足够的 EMI 控制,从而能够实现 WBG 的所有优势。放眼未来,即使成本也不应成为问题。例如,SiC FET 芯片比同等额定值的 IGBT 或 SiC MOSFET 要小很多,这意味着每个晶圆的良率和产量更高,如果考虑到由更小散热器和滤波器节省的成本,SiC FET 已经开始具有良好的经济和实用意义。
 
SiC FET 经过验证的可靠性
我们现在考虑一下 WBG 器件的可靠性,这对于某些 WBG 器件来说非常有效。例如,SiC MOSFET 和 GaN 器件对栅极电压极其敏感,绝对最大值非常接近推荐的工作条件。但另一方面,SiC FET 则能容许宽范围的栅极电压,绝对最大值具有较宽的裕量。
 
短路额定值可能是 EV 电机驱动器面对的最主要问题,而 IGBT 是稳健性的基准。当然,GaN 器件在这方面的确表现不佳,但 SiC FET 却表现不凡。在内建 JFET 器件的垂直沟道中存在一种自然的“夹断(pinch-off)”机制,与 SiC MOSFET 或 IGBT 不同,它可以限制电流并使短路栅极驱动电压不受影响。SiC JFET 具备的高峰值温度也可容许更长的短路持续时间。在汽车应用中,一般要求在保护机制启动之前,短路应承受 5μs 的考验。UnitedSiC 公司的 650 V SiC FET 测试结果显示,采用 400 V DC 总线至少可承受 8μs(图 4),在经历 100 次短路事件和高温后,导通电阻或栅极阈值无降级现象发生。
 
图 4:SiC FET 的短路性能。
 
电机驱动应用中产生的另一个应力是来自电机的反电动势。同样,GaN 并不能够抵抗这些,但 SiC FET 具有非常好的雪崩额定值,在其栅极漏极结断开时,内部 JFET 导通钳位电压。UnitedSiC 进行的更多测试表明,SiC FET 部件在 150℃下雪崩 1000 小时无故障出现[3],作为一种辅助支持,雪崩能力 100%进行生产测试。
 
令人信服的应用案例
UnitedSiC 的 SiC FET 等当代 WBG 器件是下一代 EV 电机驱动器的真正强有力竞争者,能够在这种苛刻汽车环境下提供更好的性能、更低的总体成本、以及经过验证的可靠运行。因此,预计未来十年碳化硅器件将成为动力传动系统的主导技术。
 
参考文献:
[1] https://www.energy.gov/articles/history-electric-car 
 
[2] https://energyinnovation.org/
 
[3] http://unitedsic.com/wp-content/uploads/2016/02/bp_2015_05-Robustness-of-SiC-JFETs.pdf
[4] www.Unitedsic.com