SiC MOSFET在轿车和电源使用中优势明显

商用硅基功率MOSFET已有近40年的前史，自面世以来，MOSFET和IGBT一直是开关电源的首要功率处理操控组件，被广泛用于电源、电机驱动等电路规划。

不过，这一成功也让MOSFET和IGBT体会到因成功反而受其害的意义。跟着产品全体功用的改善，特别是导通电阻和开关损耗的大幅下降，这些半导体开关的运用规模越来越广。成果，商场对这些硅基MOSFET和IGBT的期望越来越高，对功用的要求越来越高。

虽然首要的半导体研制组织和厂商下大力气满意商场要求，进一步改善MOSFET/ IGBT产品，但在某些时分，收益递减规律占主导。几年来，虽然支付投入很大，但成效收成甚微。技能和产品终究开展到一个支付与收成不成正比的阶段，并不稀有，这是在为新的颠覆性办法和新产品面世奠定根底。

关于MOSFET器材，这个颠覆性技能立异周期是开发和把握新根底资料的成果。与依据纯硅的MOSFET比较，依据碳化硅(SiC)的MOSFET的功用更胜一筹。 请注意，本文比照测验所用产品不是研制样品或演示原型，而是现已商用的依据SiC的MOSFET。

作为一个重要的快速开展的运用领域，电动轿车和混动轿车(EV/HEV)的开展获益于MOSFET技能前进，反过来又推到了MOSFET的研制制作活动。不论顾客是怎么想的，这些满载电池的轿车不仅仅一个大型电池组衔接数个牵引电机那样简略（混动轿车还有一个小型汽油发动机给电池充电），而是需求许多电子模块来驱动体系运转，办理设备，履行特别功用，如图1所示。

图1：电动轿车和混合动轿车不仅仅一台大容量电池衔接数台牵引电机，还有许多较小的电子子体系及电源，以及给大型电池组充放电和办理电池组的高功率子体系。

电动轿车和混合动轿车所用的功率开关转化体系包含：

· 轮毂电机牵引逆变器（200 kW/最高20 kHz）；

· 沟通输入车载充电器（20 kW/50 kHz-200 kHz）；

· 选配快速充电功用（50 kW/50 kHz-200 kHz）

· 辅佐功用电源：中控台、电池办理操控、空调、信息文娱体系、GPS、网络衔接（4 kW/ 50 kHz-200 kHz量级）

为什么要重视能效？ 续航路程明显是顾客选购电动轿车和混合动轿车的重要考虑要素之一。逆变器的功用前进起伏即便很小，也能导致顾客能够看到的轿车根本功用指标显着前进。

可是，要求高能效的不止于这一个要素，还有多种其它要素：

· 下降作业温度，前进牢靠性；

· 下降热负荷，削减经过散热器、散热片、冷却液和其它技能发出的热量；

· 削减充电时刻和根本用电量；

· 由于作业温度较高的体系固有的要求和约束，全体封装需求具有更大的灵活性；

· 愈加轻松地契合法规要求。

SiC应对应战

走运的是，SiC供给了一条通向更高能效以及前进相关功用的途径。在结构和功用上，SiC MOSFET与干流的纯硅MOSFET有何不同？简而言之，SiC MOSFET是在SiC n +衬底上加一个 SiC n掺杂外延层（又称漂移层），如图2所示。要害参数导通电阻RDS(ON)在很大程度上取决于源极/基极和漂移层之间的沟道电阻R_Drift。

图2：不同于纯硅MOSFET，SiC MOSFET在n +型 SiC衬底上面制作一个碳化硅外延（漂移）层，源极和栅极置于SiC漂移层顶部。

当RDrift值给定，结温是25⁰C时，SiC晶体管裸片实践面积是硅超结晶体管裸片面积的几分之一，假如使两个管子的芯片面积相同，那么SiC晶体管的功用要高出许多。另一个比较SiC和硅的办法是用咱们了解的品质因数(FOM)，即R_DS(ON) ×芯片面积（品质因数越低越好）。在1200V阻断电压下，意法半导体的SiC MOSFET的FOM值很小，约为市道上最好的高压硅MOSFET（900V超结管）的十分之一。

与牵引逆变器常用的硅基IGBT比较，SiC MOSFET首要有以下长处：

· 开关损耗更低，在中小功率时，导通损耗更低；

· 没有IGBT那样的PN结电压降；

· SiC器材具有巩固、快速的本征二极管，无需外部二极管；该本征二极管的康复电荷极小，简直能够忽略不计；

· 作业温度更高(200⁰C)，然后下降了冷却要求和散热要求，一起前进了牢靠性；

· 在能效相同的条件下，开关频率是IGBT的4倍，由于无源器材和外部元件少，分量、尺度和本钱更低。

驱动器

经验丰富的工程师知道，功率器材仅仅整个体系的许多重要组件之一。要想使规划变得牢靠、高效，有本钱效益，还需求给MOSFET挑选合适的驱动器。合适的驱动器是依据方针MOSFET及其负载特有的电流改变率、电压值和时序约束而专门规划的驱动器。由于硅基MOSFET技能现已老练，市道上有许多品牌的规范驱动器，确保驱动器/ MOSFET组合正常作业。

因而，人们关怀SiC MOSFET驱动的难易程度，更关怀驱动器在商场上是否有售，这是很正常的工作。令人兴奋的是，驱动SiC MOSFET简直与驱动硅基MOSFET相同简略，驱动一个80mΩ器材，只需求20V栅-源电压、最大约2A的驱动电流。因而，在许多状况下都能够运用简略规范的栅极驱动器。意法半导体和其它厂商开发出了针对SiC MOSFET优化的栅极驱动器，例如ST TD350。

在这款先进的栅极驱动器内，立异的有源米勒钳位功用大多数运用中节约了负电压栅极驱动，并答应运用简略的自举电源驱动高边驱动器；电平缓推迟可调理的两级关断功用能够防备关断操作发生许多的过电压，以防万一发生过流或短路状况，两级关断功用中设置的推迟还可用于操控开关的注册操作，避免脉冲宽度失真。(为进一步简化SiC MOSFET的运用，意法半导体发布了标题为 “怎么微调SiC MOSFET栅极驱动器，最大极限下降损耗”的运用笔记，全面具体介绍了驱动器的要求和最佳功用解决计划。)

不仅仅揣度，仍是实际

制作工艺的前进有时并不能确保新技能一定会产业化和大规模运用，而SiC MOSFET却是一个破例。现在，SiC MOSFET现已大批量出产，并被混动轿车和电动轿车选用，在能效、功用和作业条件方面获得实在的成效，并传导到电路级和体系级。

咱们用混动轿车和电动轿车的80kW牵引电机逆变器电源模块做了一个SIC MOSFET与硅IGBT的比照测验，成果显现，在许多要害参数方面，650V SIC MOSFET远胜硅IGBT。这个三相逆变器模块选用双极性PWM操控拓扑，具有同步整流形式。两种器材都是依照结温小于肯定最大额外结温80％确认器材尺度。硅 IGBT计划运用4个并联的650V/200A IGBT和额外值相同的相关续流硅二极管；依据SIC MOSFET的计划规划选用7个并联的650V/100A SiC MOSFET，未运用任何外部二极管（只用本征二极管）；额外峰值功率480Arms（10秒），正常负载230Arms。其它作业条件是：

· 直流电路电压：400V_dc

· 开关频率：16kHz

· SiC V_gs电压 +20V/-5V，IGBT V_ge电压 ±15V

· 冷却液温度：85℃

· R_{thJ-C(IGBT-die)}=0.4℃/W; R_{thJ-C(SiC-die)}=1.25℃/W

· 在任何条件下，T_j ≤ 80% ×T_jmax℃ 

下表列出了在额外峰值功率下的典型功率损耗：

注意到，SiC MOSFET与硅基IGBT比照，简直一切功率损耗参数都有显着改善。当并联MOSFET时，所发生的R_DS(ON) 导通电阻除以MOSFET的个数，致使导通损耗挨近零，因而，SiC MOSFET的导通损耗低于IGBT。相反，当并联IGBT时，所发生的V_CE(SAT) 电压不会线性下降，而且最小导通电压降是约束在大约0.8至1 V规模内。

不难看出，在整个负载规模内，依据SiC的MOSFET解决计划的功率损耗低许多。由于导通电压降较低，这些MOSFET在100％负载时的导通损耗也从125 W下降到55 W，如图3a和3b所示。

图3：a）在整个负载规模内，依据SiC的规划（红线）的功耗比硅基IGBT(蓝线)低许多（左图）。 b）SiC体系（红线）的能效显着高于纯硅计划（蓝线），在较低的负载比时尤为明显。

在低负载时，SiC器材的能效比硅IGBT高达3％；在整个负载规模内，总能效高至少 1％。虽然1％看起来好像不高，但关于这个功率等级，1％代表了很高的功耗、耗散功率和散热量。工程师知道，高温是耐久功用和牢靠性的大敌。此外，高能效还能延伸电动轿车续航路程，这是轿车制作商和顾客比较垂青的价值建议。在16 kHz开关频率下，比较SiC与IGBT的结温，从低负载到满负载，明显SiC是赢家，两者的冷却液温度均为85⁰C，如图4所示。数据标明，由于损耗高，IGBT冷却体系的功率有必要更高。

图4：结温决议开关频率凹凸、牢靠性以及其它功用；在牢靠性方面，SiC解决计划（红线）优于硅解决计划（蓝线），直到100％负载依然坚持较低的Δ(T_j-T_fluid)温差。

SiC器材结温简直在整个开关频率规模内都处于较低的水平，如图5所示，乃至开关频率低至8 kHz时，温度也比IGBT低，硅基IGBT在46 kHz时已超出额外结温规模。

图5：在整个开关频率规模内，结温低也是SiC器材的首要优势；这两个计划在8 kHz时结温大致相同，但之后SiC（红线）逐步优于Si（蓝线），后者跟着开关频率的前进而大幅添加。

在峰值功率脉冲条件下，SiC MOSFET导通损耗高于IGBT，为使结温坚持在最高结温以下（一般为200⁰C的Tjmax的80％），咱们限制SiC MOSFET的尺度，这时 SiC MOSFET具有以下优势：

· 芯片面积小，合适更紧凑的计划；

· 中低负载功率损耗低许多；

· 电池续航时刻更长，延伸轿车续航路程；

· 满载时损耗更低，适用于更小的冷却计划；

· 在整个负载规模内，结温T_j和冷却液温度T_fluid的温差小，可前进牢靠性。

这些特性和长处为用户带来了实在的优点，例如，能效前进至少1％（损耗下降75％）；逆变器侧冷却体系更小、更轻（削减约80％）；电源模块更小、更轻（削减50％）。

本钱考量

当评论技能前进及其带来的优点时，不考虑本钱要素的评论都是片面的。现在，SiC MOSFET的本钱是硅IGBT的4-5倍，不过，SiC MOSFET在物料清单、冷却体系和能耗方面的节约，下降了体系总本钱，一般能够抵消掉这些根底组件的本钱距离。在未来2-5年，跟着职业转向大直径晶圆，意法半导体现已开端转型，这一价差应该会降至3倍乃至2.5倍，品质因数R_DSON × 面积也将得到改善，产值将会前进。从长远看，未来5-10年，跟着这些参数改善，本钱将会持续下降。

SiC功率开关带来了改善功用的期望，一起也将这些期望变成了实际，在运用和装置中简直不存在规划折衷问题。跟着轿车厂商赶紧研制混动轿车、电动轿车和许多相关电源模块，以及其它以大功率电机为中心的运用，SiC功率开关能够在成功规划中发挥重要作用，即便改善脚步很小，也会为体系级带来巨大的前进。