新電子元件的研究和開發(fā)不斷發(fā)展，也隨之取得了成果。公司不斷嘗試開發(fā)越來越多的性能更高的設備，其特點是效率更高，電氣特性更好。碳化硅 (SiC)技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，主要與其電阻有關。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。因此可以開發(fā)更小、更高效的組件。由于降低了開關損耗，因此可以使用較小的無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行，并且可以采用降低的熱設計進行設計。因此，它們?yōu)槠囶I域提供了理想的解決方案。使用 SiC 帶來的其他好處如下： 功率損耗可降低 10 倍；設備可以在更高的電壓下工作，斷電場 (V/cm) 增加十倍；冷卻系數(shù)增加了兩倍（熱導率 W/cm x °C）；10 倍可改善頻率響應。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。

應用

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

碳化硅功率 MOSFET、二極管和模塊的主要汽車應用是車載電動汽車 (EV) 充電器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和傳動系統(tǒng)逆變器。P凸耳式混合動力電動汽車和電動汽車的電池（BEV的）使用車載充電器為“加油”車輛電池或者在家里或在公共充電站。工作原理很簡單：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。動力傳動系統(tǒng)設備用于 BEV 動力系統(tǒng)和商用車輛。動力傳動系統(tǒng)是一項重要且具有挑戰(zhàn)性的應用。因此，它為創(chuàng)新提供了巨大的機會。

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

圖 1：用于 E 系列汽車 SiC 功率 MOSFET 的鉗位電感開關測試電路

電動車運營

圖 2 給出了一個框圖，說明了電動汽車的基本操作。我們可以看到與主要功能相關的塊，例如車載充電器（允許連接到外部交流充電站）、無線充電器、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)

電動汽車開發(fā)商的首要任務是最大限度地提高車輛在電池充電時的行駛距離。2012-2013 年，電動汽車使用當時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 400 公里或更長。這確實是一個很好的結(jié)果，可與使用汽油發(fā)動機獲得的結(jié)果相媲美。然而，更長距離的能力需要更大的電池，這反過來需要更長的充電時間和車輛布線，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)能夠滿足不久的將來不斷增長的充電需求。在車輛方面，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 顯示了一個非常常見的 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 PFC 操作，升壓二極管通常基于 SiC 技術(shù)。在原理圖中，升壓二極管是標準組件，而不是附加解決方案，因為人們可能會錯誤地假設。碳化硅二極管允許比硅基等效物更高的開關頻率。在對羅門半導體的SiC 二極管進行的多次測試中記錄的波形被發(fā)現(xiàn)非常出色，并且與使用標準 650-V 快速硅二極管獲得的結(jié)果相比，反向恢復時間非常短。SiC 二極管的溫度依賴性幾乎不存在，使其成為最苛刻應用的理想解決方案。

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 的最大開關頻率變化為 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%）。由于羅門半導體進行的測試，可用功率增加。對于 E 級方程式賽車，這意味著快速加速，幫助賽車在比賽前從起跑線達到最高速度，并與最優(yōu)秀的選手一起沖過終點線。

但也必須考慮電池，因為它決定了可用能量的數(shù)量。ROHM Semiconductor 進行和分析的 SiC MOSFET 模擬揭示了該技術(shù)的主要優(yōu)勢。用于模擬的標準配置文件 3B 級 WLTP，測量速度、轉(zhuǎn)數(shù) (RPM) 和扭矩。該仿真參考了 100 kWh 發(fā)動機、16 kHz 開關頻率和 750 V/33 kWh 電池。比較了兩個功率模塊：BSM600D12 SiC 12,000-V/600-A 模塊和 SKIM459GD12E4 IGBT 模塊。

ROHM 進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)就可以為客戶帶來直接和切實的好處，他們可以設計一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使用相同尺寸的電池實現(xiàn)更長的充電間隔，或者允許使用更小的電池。電池，以較低的總成本，而不會影響最終客戶（駕駛員）的性能（兩次充電之間的行駛距離）。

展望未來，我們預計功率密度將顯著提高。換句話說，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)動機將采用更小的組件制造，從而降低每千瓦時的價格。

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



審核編輯：劉清