新電子元件的研究和開(kāi)發(fā)不斷發(fā)展，也隨之取得了成果。公司不斷嘗試開(kāi)發(fā)越來(lái)越多的性能更高的設(shè)備，其特點(diǎn)是效率更高，電氣特性更好。碳化硅 (SiC)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要與其電阻有關(guān)。使用這種技術(shù)，可以獲得與使用硅基技術(shù)相同的電阻，但采用更小的質(zhì)量。因此可以開(kāi)發(fā)更小、更高效的組件。由于降低了開(kāi)關(guān)損耗，因此可以使用較小的無(wú)源元件在更高的頻率下工作。

此外，碳化硅器件可以在更高的溫度下運(yùn)行，并且可以采用降低的熱設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，它們?yōu)槠?chē)領(lǐng)域提供了理想的解決方案。使用 SiC 帶來(lái)的其他好處如下： 功率損耗可降低 10 倍；設(shè)備可以在更高的電壓下工作，斷電場(chǎng) (V/cm) 增加十倍；冷卻系數(shù)增加了兩倍（熱導(dǎo)率 W/cm x °C）；10 倍可改善頻率響應(yīng)。這些杰出的電氣和物理特性是大多數(shù)公司使用碳化硅作為主要技術(shù)的原因。

應(yīng)用

在過(guò)去幾年中，構(gòu)建基于 SiC 的逆變器原型的汽車(chē)公司數(shù)量急劇增加。如今，80% 的汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)活動(dòng)以某種方式涉及 SiC，其余 20% 可能會(huì)效仿。

碳化硅功率 MOSFET、二極管和模塊的主要汽車(chē)應(yīng)用是車(chē)載電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和傳動(dòng)系統(tǒng)逆變器。P凸耳式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的電池（BEV的）使用車(chē)載充電器為“加油”車(chē)輛電池或者在家里或在公共充電站。工作原理很簡(jiǎn)單：充電器將90至265 VAC的插座電源轉(zhuǎn)換為直流電給電池充電。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備用于 BEV 動(dòng)力系統(tǒng)和商用車(chē)輛。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是一項(xiàng)重要且具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。因此，它為創(chuàng)新提供了巨大的機(jī)會(huì)。

據(jù)該公司稱(chēng)，Wolfspeed E 系列產(chǎn)品線(xiàn)中的 SiC MOSFET具有業(yè)界最低的開(kāi)關(guān)損耗和最高的品質(zhì)因數(shù)。E 系列 MOSFET（圖 1）針對(duì) EV 電池充電器和高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的使用進(jìn)行了優(yōu)化，并且在 Wolfspeed 的 6.6 kW 雙向車(chē)載充電器參考設(shè)計(jì)中具有特色。

圖 1：用于 E 系列汽車(chē) SiC 功率 MOSFET 的鉗位電感開(kāi)關(guān)測(cè)試電路

電動(dòng)車(chē)運(yùn)營(yíng)

圖 2 給出了一個(gè)框圖，說(shuō)明了電動(dòng)汽車(chē)的基本操作。我們可以看到與主要功能相關(guān)的塊，例如車(chē)載充電器（允許連接到外部交流充電站）、無(wú)線(xiàn)充電器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、大功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器（允許連接到 DC快速充電站）和逆變器——本文的主要主題。

圖 2：基本 EV 操作。EMS代表能源管理系統(tǒng)，BMS代表電池管理系統(tǒng)

電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)商的首要任務(wù)是最大限度地提高車(chē)輛在電池充電時(shí)的行駛距離。2012-2013 年，電動(dòng)汽車(chē)使用當(dāng)時(shí)可用的高性能蓄電池可以保證約 140 公里的續(xù)航里程。如今，電池容量已大大增加，兩次充電之間的行駛距離可達(dá) 400 公里或更長(zhǎng)。這確實(shí)是一個(gè)很好的結(jié)果，可與使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)獲得的結(jié)果相媲美。然而，更長(zhǎng)距離的能力需要更大的電池，這反過(guò)來(lái)需要更長(zhǎng)的充電時(shí)間和車(chē)輛布線(xiàn)，以支持必要的功率水平增加。

現(xiàn)有的充電站可以提供大約 350 kWh 或更高的高功率水平，因此已經(jīng)能夠滿(mǎn)足不久的將來(lái)不斷增長(zhǎng)的充電需求。在車(chē)輛方面，碳化硅被廣泛用于提供所需的更高效率和高功率能力。

圖 3 顯示了一個(gè)非常常見(jiàn)的 EV 充電器的原理圖，能夠提供 3.6 到 7.2 kWh 的低功率。該布局基于兩級(jí)功率因數(shù)校正 (PFC) 電路和為高壓電池供電的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。為了改進(jìn) PFC 操作，升壓二極管通常基于 SiC 技術(shù)。在原理圖中，升壓二極管是標(biāo)準(zhǔn)組件，而不是附加解決方案，因?yàn)槿藗兛赡軙?huì)錯(cuò)誤地假設(shè)。碳化硅二極管允許比硅基等效物更高的開(kāi)關(guān)頻率。在對(duì)羅門(mén)半導(dǎo)體的SiC 二極管進(jìn)行的多次測(cè)試中記錄的波形被發(fā)現(xiàn)非常出色，并且與使用標(biāo)準(zhǔn) 650-V 快速硅二極管獲得的結(jié)果相比，反向恢復(fù)時(shí)間非常短。SiC 二極管的溫度依賴(lài)性幾乎不存在，使其成為最苛刻應(yīng)用的理想解決方案。

圖 3：典型的充電器電路

公式 E 逆變器

將基于絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的逆變器替換為基于碳化硅的逆變器可以將功率提高 10%。SiC 的最大開(kāi)關(guān)頻率變化為 24 kHz，而等效的 IGBT 為 16 kHz。解決方案的總重量從 15 公斤減少到 9 公斤，總體積從 14 升減少到 10 升（減少了 30%）。由于羅門(mén)半導(dǎo)體進(jìn)行的測(cè)試，可用功率增加。對(duì)于 E 級(jí)方程式賽車(chē)，這意味著快速加速，幫助賽車(chē)在比賽前從起跑線(xiàn)達(dá)到最高速度，并與最優(yōu)秀的選手一起沖過(guò)終點(diǎn)線(xiàn)。

但也必須考慮電池，因?yàn)樗鼪Q定了可用能量的數(shù)量。ROHM Semiconductor 進(jìn)行和分析的 SiC MOSFET 模擬揭示了該技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)。用于模擬的標(biāo)準(zhǔn)配置文件 3B 級(jí) WLTP，測(cè)量速度、轉(zhuǎn)數(shù) (RPM) 和扭矩。該仿真參考了 100 kWh 發(fā)動(dòng)機(jī)、16 kHz 開(kāi)關(guān)頻率和 750 V/33 kWh 電池。比較了兩個(gè)功率模塊：BSM600D12 SiC 12,000-V/600-A 模塊和 SKIM459GD12E4 IGBT 模塊。

ROHM 進(jìn)行了多次模擬并分析了結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用 SiC 功率模塊的距離為 177 公里，高于使用 IGBT 版本獲得的 159 公里（圖 4）。因此得出的結(jié)論是，僅僅改變制造技術(shù)就可以為客戶(hù)帶來(lái)直接和切實(shí)的好處，他們可以設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使用相同尺寸的電池實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的充電間隔，或者允許使用更小的電池。電池，以較低的總成本，而不會(huì)影響最終客戶(hù)（駕駛員）的性能（兩次充電之間的行駛距離）。

展望未來(lái)，我們預(yù)計(jì)功率密度將顯著提高。換句話(huà)說(shuō)，所有的努力都集中在從最小的合理足跡中獲得盡可能高的能量。因此，更高功率的發(fā)動(dòng)機(jī)將采用更小的組件制造，從而降低每千瓦時(shí)的價(jià)格。

與傳統(tǒng)的硅基器件相比，碳化硅功率器件需要更復(fù)雜、更昂貴的制造步驟。然而，最終，碳化硅的功率密度優(yōu)勢(shì)將使成本/性能方程有利于它。碳化硅將在汽車(chē)應(yīng)用、DC/C 充電電路和電源轉(zhuǎn)換器中得到更廣泛的采用。隨著越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)人員希望利用碳化硅的效率和功率密度優(yōu)勢(shì)，碳化硅逆變器將繼續(xù)取代硅基 IGBT 逆變器。



審核編輯：劉清