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宽带隙SiC如何加速电动车创新  [复制链接]

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2020-10-15来源: 电子产品世界


客户对单次充电行驶里程堪比内燃机车辆的电动车(EV)的需求现已超过技术本身的发展,而且关键是,还需要这种电动车有一个较为平易近人的价格。使用碳化硅等半导体技术打造的更为高效的传动系统让工程师能以经济实惠的方式满足对高压和大功率的需求。


由于价格下降,行驶里程增加,电动车正在逐渐成为主流。2019年,全球电动车销量超过210万。国际能源署报告《2020年全球电动车展望》称,2019年有超过720万辆电动客车上路行驶。然而,电动车数量是否会继续增长取决于许多因素。主要市场中的购买补贴削减是电动车销量显著下跌的一个诱因。新冠疫情的影响也不可忽视,它是今年全球车辆产量的主要影响因素。不过,充电基础设施改善、消费者期盼的未来技术进步带来的车辆价格下降与十分重要的更长单次充电行驶里程仍然是关键挑战。


电池和电动机制造商已经接近已知技术能所达到的性能上限。但是,在传动系统中,即在电池能量转化成供电动机使用的三相交流电的过程中,传统设计存在显而易见的升级方式。这就是碳化硅(SiC)等宽带隙半导体的用武之地。


部分电动车应用已经开始使用SiC技术,其中很大一部分是低功率应用,如电池充电器、辅助直流转换器和固态断路器。然而,传动系统功率设计师一直不愿意使用这种技术,而是在等待这种技术有可以接受的低通导电阻、更好的稳健性且更容易应用。现在,UnitedSiC 生产的最新一代SiC-FET,即“堆叠式共源共栅”的性能突破将解决所有这些顾虑。


什么是堆叠式共源共栅


堆叠式共源共栅是一种含两个晶体管且晶体管上下堆叠的器件,它将一个高压SiC JFET与一个优化的低压Si-MOSFET串联(见图1)。当栅极高时,MOSFET让JFET栅源短接,从而将其打开。当栅极低时,MOSFET漏极电压升高直至JFET夹止(即沟道关闭),此时电压约为10V。结果是产生了栅极驱动简单的常关型器件。此外,它拥有SiC器件的全部优点,具有低通导电阻,能在高压高温下运行,具有一体的体二极管效应和出色的反向恢复特征。

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图1 堆叠式共源共栅构造 - MOSFET晶粒的物理位置处于JFET源板上方


共源共栅的概念已经存在一段时间了,但是现在,JFET版本的共源共栅在高压额定值下实现了出色的通导电阻,从而接近“理想”开关。表1用数据说话,列出了UnitedSiC生产的部分SiC-FET,表明在25°C下,1200V器件的RDS(ON)值低至8.6毫欧,650V器件的值低至6.7毫欧。所有器件均为TO-247封装规格,部分采用4引脚开尔文连接,以获得最佳栅极驱动。

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表1 最新一代UnitedSiC SiC-FET的性能


低漏源通导电阻值(RDS(ON))、低输出电容值(COSS)和低开关能耗值(EON和EOFF)可以将导电损耗降至最低。此外,带电感负载的开关必须能“换向”,即允许反向导电,例如电机驱动中的开关。


IGBT电路中必须采用高压并联二极管,才能允许反向电流。这会增加成本,而且二极管需要具有高性能,反向恢复能耗也要尽可能低。另一方面,SiC-MOSFET有一体的反向二极管,但是性能相对较差,并且在运行温度下有高正向压降和显著的恢复损耗。然而,SiC-FET允许通过沟道跨已经很低的通导电阻有效反向导电,且无存储电荷效应,正向压降低。封装中的堆叠式Si-MOSFET也会反向导电,但是由于属于优化的低压类型,它的体二极管压降小,不会增加恢复损耗。


最新一代SiC-FET的损耗低于传统IGBT方法并有额外的附带优势。表2显示了6个功率电平下的计算损耗,并对比了当前先进的IGBT模块加并联二极管方法与SiC-FET版本。

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表2 电动车应用中的IGBT与SiC-FET的总导电和开关损耗对比


在典型的50-100kW电平下,SiC-FET一致实现了近4倍的功耗降低,在200kW电平下,则实现了近3倍的功耗降低。在电动车应用中,这等同于有更多可用能量和较低的冷却要求,前者能延长单次充电行驶里程,后者能让散热箱更小、更轻,从而降低车辆负载并提高单次充电行驶里程,构成一种良性循环。这些低电阻器件可用于低成本分立封装中,从而构造出非常经济的逆变器。


宽带隙技术相对较新,对其实际可靠性的疑虑是可以理解的。不过,最新一代SiC-FET部件现在已有大量测试数据,并使用成熟的生产工艺来保证稳健性。它们还拥有内置优势,除了碳化硅固有的高温能力外,SiC-FET还具有自限制雪崩漏极电压特征,并有沟道自适应偏压能力,可激活过压模式,从而吸收高达数焦耳的暂态能量。


SiC-FET的另一个优势是抗短路稳健性。大电流经过沟道电阻时会产生负JFET栅偏压,从而趋向于关闭器件。通过自加热,沟道电阻的正温度系数会进一步减小短路电流。这种效应使SiC-FET易于并联,同时有自动电流平衡能力,而对温度变化相对不敏感的堆叠式MOSFET阈值电压和反向恢复特征进一步增强了它的优势。


电动车充电


SiC-FET也是快速充电器应用的理想选择,在这种应用中,它们能够在PFC前端和主直流转换级中提供峰值效率,这二者通常都使用相移全桥或LLC拓扑结构。由于SiC二极管的压降低且没有反向恢复损耗,高压充电器用它来实现输出整流。这是因为在高压下使用Si-MOSFET进行同步整流(SR)非常复杂,无法在二极管上实现损耗节省。不过,使用RDS(ON)低的SiC-FET可能更有利。


例如,在占空比为50%,工作电流为100A的情况下,SiC二极管的导电损耗接近100W,但是UF3SC065007K4S的导电损耗仅为45W。此外,SR带来了实现双向功率流的可能性,允许电动车电池将功率返回电网,实现电力负荷平衡等好处,并带来相应的财务收入。


固态断路器是电动车中的重要应用,因为在维修和故障期间必须隔离电池。由于具有常开特征,JFET是天然的断路器选择。


向后兼容


由于采用TO-247三脚和四脚封装,UnitedSiC SiC-FET是电机驱动中许多IGBT和Si-MOSFET的插入式替代品。这种替代会带来显著的效率提升,却不用改变电路,只需使用栅极驱动电阻器和小缓冲电路来调整开关边缘。栅极驱动电压要求并非十分关键,通常电压为0-12V。还可以设想一下其他好处,如减少基于IGBT的原有设计中的现有缓冲电路,以降低损耗和去除并联二极管。


凭借UnitedSiC的新一代低RDS(ON)器件,SiC-FET将为电动车传动系统革命铺平道路。

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