設計人員在電動和混合動力汽車中提高能量轉換效率的重點是配備緊湊封裝和組裝的高熱可靠性電力電子模塊的設備，以減少開關損耗。

設計參數(shù)不同，并考慮到車輛動力總成系統(tǒng)中的功率水平、轉換效率、工作溫度、熱能耗散能力和系統(tǒng)封裝。

碳化硅與氮化鎵

電動汽車的電力電子產(chǎn)品富含碳化硅 (SiC) 解決方案，可滿足所有這些高功率應用所需的設計參數(shù)，從而為系統(tǒng)性能和長期可靠性做出重要貢獻。

“電動汽車 (EV) 行業(yè)的采用率非常高。全球 OEM 已宣布超過 3000 億美元的電動汽車投資，我們預計未來十年內(nèi)所有制造的車型中有 20% 將實現(xiàn)電氣化，”Cree 副總裁兼電源總經(jīng)理 Jay Cameron 說。

SiC 和 GaN 被稱為“寬帶隙半導體”(WBG)，因為將這些材料的電子從價帶炸開到導帶需要能量：而在硅的情況下，這種能量為 1.1eV，它是SiC(碳化硅)為 3.3eV，GaN(氮化鎵)為 3.4eV。

盡管在概念層面上有相似之處，但 SiC 和 GaN 組件不可互換，而是根據(jù)它們在其中運行的系統(tǒng)中的使用參數(shù)而有所不同。

GaN 的性能和可靠性與通道上的溫度和焦耳熱效應有關。集成到 GaN 中的 SiC 和金剛石等基板可以改善熱管理。這使得降低設備的工作溫度成為可能。

SiC 上的 GaN 是一種非常適用于甚高頻 (RF) 應用的解決方案，可用于未來可與 5G 配合使用的設備。GaN on Si 在低電壓 (<200V) 產(chǎn)品中保持其地位，例如緊湊型 USB PD 充電器。在 600V 和 650V 之間的范圍內(nèi)，這兩種技術在低于 2kW 的應用中都能很好地工作。

由于其在開關損耗方面的出色性能，GaN 可以成為需要兆赫 (MHz) 范圍內(nèi)開關頻率的正確解決方案。通過增加開關頻率和電流值，弱電阻(比 SiC 大 2-3 倍)會限制高溫下的應用，從而降低器件和系統(tǒng)成本。

“由于碳化硅在汽車行業(yè)的大量采用，我們看到了碳化硅成為更多電源設計中最具成本效益的解決方案的途徑，”杰伊卡梅隆說。“碳化硅是車載充電器的關鍵解決方案。與硅實施相比，功率密度和效率的改進可以大大減少體積和重量。”

“我們的產(chǎn)品還支持雙向 OBC 設計，支持 V2x(車輛到車輛、車輛到電網(wǎng))趨勢。憑借我們的 1200V 和 650V 設備組合，我們能夠同時滿足 800V 和 400V 電動汽車架構的要求，”Jay Cameron 說。

Cree 的解決方案

Cree 宣布擴大其產(chǎn)品組合，推出 Wolfspeed 650V 碳化硅 MOSFET，用于更廣泛的工業(yè)應用，主要包括電動汽車、數(shù)據(jù)中心和其他可再生能源解決方案。

碳化硅 MOSFET 提供高能效，為新的智能電網(wǎng)提供下一代雙向車載充電和儲能解決方案。

“有一系列應用可以從 Cree 的新型 650V MOSFET 中受益。電動汽車和數(shù)據(jù)中心是可以從該技術中受益的兩個領域，主要源于其高效率、高功率密度的特性。與硅替代品相比，您可以看到傳導損耗減半，開關損耗降低 75%，功率密度提高 70%。這些優(yōu)勢非常適合電動汽車和數(shù)據(jù)中心，以及電信電源、UPS、太陽能逆變器等，”Jay Cameron 說。

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圖 1：Wolfspeed 650V MOSFET 具有較低的開關損耗和較低的傳導損耗 [來源：Cree/Wolfspeed]

新的 15 mΩ 和 60 mΩ 650V AEC-Q101 合格器件采用第三代 Cree C3M MOSFET 技術，提供比以前的解決方案更低的開關損耗和導通電阻。與硅相比，Wolfspeed 的新型 650V 碳化硅 MOSFET 的開關損耗降低了 75%，傳導損耗降低了 50%，從而可能使功率密度增加 300%。更高的效率和更快的開關速度使客戶能夠設計具有更高性能的更小解決方案。

“當電源設計人員使用碳化硅時，他們可以在他們的產(chǎn)品中實現(xiàn)最高效率，使他們能夠從相同的外形尺寸獲得更多的功率，從更小的外形尺寸獲得相同的功率，或者最大限度地提高功率密度以減小尺寸、重量或成本。碳化硅襯底的特性是絕對關鍵的。例如，作為自然界中最好的導熱體金剛石的表親，碳化硅的熱性能遠遠優(yōu)于硅。散熱越容易，設備運行的溫度就越低，這會放大低導通電阻隨溫度變化的影響，”杰伊·卡梅倫 (Jay Cameron) 說。

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圖 2：歸一化 R DS(on)與溫度 [來源：Cree/Wolfspeed]

結論

全碳化硅模塊正變得越來越廣泛，無論是標準封裝還是圍繞碳化硅優(yōu)化的新模塊設計。“我們發(fā)布的 XM3 系列 1200V 碳化硅半橋顯示了當封裝設計時考慮到碳化硅時的改進。我們還積極支持模塊制造商開發(fā)基于我們的碳化硅芯片的模塊，他們的創(chuàng)新設計已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的性能，”杰伊卡梅隆說。

對性能不斷增長的需求推動了碳化硅解決方案的廣泛采用，提供了非凡的成熟度。許多工業(yè)應用正在增加它們的采用。

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圖 3：降低 6.6kW 雙向車載充電器設計中的總系統(tǒng)成本 [來源：Cree/Wolfspeed]

根據(jù)市場研究，最賺錢的市場將是電動汽車和自動駕駛汽車，其中WBG將用于逆變器、車載充電設備(OBC)和防撞系統(tǒng)(LiDAR)，這是顯而易見的，考慮到與優(yōu)化蓄電池性能的要求相匹配的新設備的熱特性和效率。

審核編輯：湯梓紅