當(dāng)您的電費(fèi)只減少幾美分或?qū)p少全球 CO 2排放量的貢獻(xiàn)微乎其微時(shí),可能很難將電子產(chǎn)品中的節(jié)能呼吁聯(lián)系起來(lái),但是當(dāng)電動(dòng)汽車獲得更高的效率時(shí),效果更明顯——射程更遠(yuǎn)、重量更輕、運(yùn)行成本更低。現(xiàn)在,汽車中電池和電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步使它們變得可行,以至于某些國(guó)家/地區(qū)將禁止銷售內(nèi)燃機(jī) (ICE) 汽車1并且大多數(shù)新車開發(fā)都集中在電動(dòng)汽車及其動(dòng)力系統(tǒng)上。
尋找完美的開關(guān)
電動(dòng)汽車充滿了需要電力的電子設(shè)備,從牽引逆變器到車載充電器和輔助電源。在所有情況下,為了實(shí)現(xiàn)高效率,開關(guān)模式技術(shù)都用于生成電壓軌,這依賴于在高頻下工作的半導(dǎo)體。該應(yīng)用的理想開關(guān)在導(dǎo)通時(shí)電阻接近于零,在關(guān)斷時(shí)無(wú)泄漏,并且擊穿電壓高(圖 1)。當(dāng)它在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí),瞬態(tài)功耗應(yīng)該很小,任何殘余損耗都應(yīng)該導(dǎo)致最小的開關(guān)溫升。多年來(lái),半導(dǎo)體技術(shù)的推出越來(lái)越接近理想狀態(tài),但人們的期望也發(fā)生了變化,人們?nèi)栽诶^續(xù)尋找完美的開關(guān)。
圖 1:理想的開關(guān)
理想開關(guān)的候選者
今天的開關(guān)選擇多種多樣:IGBT 因其低傳導(dǎo)損耗而在非常高的功率下受到青睞,而 MOSFET 在中低功率下占主導(dǎo)地位,其快速開關(guān)可最大限度地減少相關(guān)組件的尺寸和成本,尤其是磁性元件。MOSFET 傳統(tǒng)上使用硅技術(shù),但現(xiàn)在可以采用碳化硅,因?yàn)樗哂械蛣?dòng)態(tài)和傳導(dǎo)損耗以及高溫操作的特殊優(yōu)勢(shì)。它離那個(gè)難以捉摸的理想開關(guān)更近了一步,但還有另一種更好的方法 - 一種與低壓硅 MOSFET 以共源共柵排列方式共同封裝的 SiC JFET,共同稱為“SiC FET”。簡(jiǎn)而言之,Si MOSFET 提供簡(jiǎn)單的非關(guān)鍵柵極驅(qū)動(dòng),同時(shí)將常開 JFET 轉(zhuǎn)換為常關(guān)共源共柵,與 Si 或 SiC MOSFET 相比具有一系列優(yōu)勢(shì)。
圖 2:IGBT、SiC MOSFET 和 SiC JFET 結(jié)構(gòu)(1,200V 級(jí))
從圖 2 中可以清楚地看出,MOSFET 或 JFET 中 SiC 的更高臨界擊穿電壓允許更薄的漂移層,大約是 IGBT 中硅的十分之一,相應(yīng)的電阻更低。硅 IGBT 通過(guò)在較厚的漂移層中注入大量載流子來(lái)實(shí)現(xiàn)其低電阻,這導(dǎo)致 100 倍的存儲(chǔ)電荷,必須在每個(gè)開關(guān)周期中從漂移層掃入和掃出。這導(dǎo)致相對(duì)較高的開關(guān)損耗和顯著的柵極驅(qū)動(dòng)功率要求。碳化硅 MOSFET 和 JFET 是單極器件,其中電荷運(yùn)動(dòng)僅進(jìn)出器件電容,從而大大降低動(dòng)態(tài)損耗。
將現(xiàn)在的 SiC FET 與 SiC MOSFET 進(jìn)行比較,通道中的電子遷移率要好得多,SiC FET 允許使用更小的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的電阻,從而具有更低的電容和更快的開關(guān)或更低的導(dǎo)通電阻 (R DS(ON) )相同的芯片面積 A。因此,A 是一個(gè)關(guān)鍵的衡量標(biāo)準(zhǔn),它表明在給定性能的情況下,每個(gè)晶片有可能有更多的芯片,從而為給定的芯片面積節(jié)省成本或降低傳導(dǎo)損耗。C OSS量化了導(dǎo)通電阻和輸出電容之間的相互作用,在給定的額定電壓下進(jìn)行權(quán)衡以提供或多或少的開關(guān)損耗。
在所有其他條件相同的情況下,每片晶圓更多芯片和更快切換的雙贏局面被現(xiàn)在需要從更小區(qū)域散熱的需要所緩和。碳化硅的導(dǎo)熱性比硅高 3 倍,這有幫助,而且它還能夠在更高的平均溫度和峰值溫度下運(yùn)行,但為了建立在這些優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上,最新一代的碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管“第 4 代”具有晶圓減薄功能降低其電阻和熱阻,并采用銀燒結(jié)芯片連接,以實(shí)現(xiàn)比焊料高 6 倍的熱導(dǎo)率——最終效果是提高了可靠性,因?yàn)榻Y(jié)溫較低,并且有很大的絕對(duì)最大值。
SiC FET 相對(duì)于 SiC MOSFET 的優(yōu)勢(shì)非常廣泛,取決于應(yīng)用,但可以在關(guān)鍵 FOM 和特性的雷達(dá)圖中進(jìn)行總結(jié)(圖 3)。
圖 3:SiC FET 在不同應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。繪圖針對(duì) UnitedSiC 的 GEN 4 SiC FET 的特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。
這些圖已針對(duì) UnitedSiC GEN 4 SiC FET 的特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,在高溫和低溫下的所有方面均顯示出卓越的性能。
實(shí)際結(jié)果證實(shí)了 SiC FET 的承諾
UnitedSiC 已經(jīng)證明了 SiC FET 的有效性,圖騰柱 PFC 級(jí)設(shè)計(jì)在具有“硬”開關(guān)的連續(xù)傳導(dǎo)模式下工作,這將是 EV 車載充電器前端的典型特征。該轉(zhuǎn)換器的額定功率為 3.6 kW,具有 85 至 264 VAC 輸入和 390 VDC 輸出,使用 18 mΩ 或 60 mΩ GEN 4 SiC FET TO-247-4L 封裝,開關(guān)頻率為 60 kHz。系統(tǒng)效率圖如圖 4 所示,在 230 VAC 下達(dá)到 99.37% 的峰值,一個(gè) 18mΩ SiC FET 用于高頻、高側(cè)和低側(cè)開關(guān)位置。在全 3.6 kW 輸出時(shí),這些 SiC FET 的總耗散僅為 16 W 或 0.44% 的低效率,需要最少的散熱。
圖 4:圖騰柱 PFC 級(jí)使用 SiC FET 實(shí)現(xiàn)了 99.37% 的效率。
在 EV 中,還有一個(gè)下變頻級(jí),將牽引電池電壓隔離到 12 V,通常使用 LLC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn),這是目前高效率的首選拓?fù)洹LC 轉(zhuǎn)換器在高頻下諧振開關(guān)以獲得最佳性能,而 SiC FET 又是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在 3.6 kW 下,以 500 kHz 開關(guān),一對(duì) GEN 4 750-V 18-mΩ MOSFET 的功耗小于 6.5 W,每個(gè)都包括傳導(dǎo)、開關(guān)和體二極管損耗。
牽引逆變器是可以節(jié)省最多功率的地方,而 SiC FET 可以取代 IGBT 以真正提高效率。開關(guān)頻率通常保持在 8 kHz 低,即使使用 SiC 器件也是如此,因?yàn)榇判栽?a target="_blank">電機(jī),它不會(huì)隨著逆變器開關(guān)頻率的增加而直接縮小尺寸。為了獲得顯著的收益,單個(gè) IGBT 及其并聯(lián)二極管可以替換為,例如,六個(gè)并聯(lián)的 6-mΩ SiC FET,在 200-kW 輸出時(shí)半導(dǎo)體效率提高 1.6% 至 99.36%,代表超過(guò) 3 倍的切入功率損耗或 3 kW。在較輕的負(fù)載下,車輛更常運(yùn)行,改進(jìn)效果更好,損耗比 IGBT 技術(shù)低 5 到 6 倍——所有這一切都具有低得多的柵極驅(qū)動(dòng)功率和無(wú)“拐點(diǎn)”電壓以實(shí)現(xiàn)更好控制的優(yōu)勢(shì)在輕負(fù)載下。更低的損失,
我們達(dá)到了完美嗎?
沒(méi)有半導(dǎo)體制造商敢聲稱他們的開關(guān)是完美的,但現(xiàn)在功率轉(zhuǎn)換的效率已經(jīng)下降到小數(shù)點(diǎn)以上 99%,我們離我們?cè)絹?lái)越近了。SiC FET 可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),您可以使用 UnitedSiC 網(wǎng)站上的 SiC FET-JET 計(jì)算器工具2親自嘗試,該工具可以計(jì)算各種 AC/DC 和 DC/DC 拓?fù)涞膿p耗。
審核編輯:湯梓紅
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