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真正實現碳化硅的汽車應用資質

Qorvo半導體 ? 來源:未知 ? 2023-06-30 09:35 ? 次閱讀

碳化硅 (SiC) 可為電動汽車 (EV) 領域帶來許多優勢:更高的額定電壓、出色的功率轉換效率以及應對高溫的能力等,也因此一直備受推崇。本博文將討論電動汽車的設計考慮因素,并探討各種 SiC 技術如何幫助您克服設計挑戰。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發布,該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領先的碳化硅 (SiC) 功率半導體制造商,它的加入促使 Qorvo 將業務擴展到電動汽車 (EV)、工業電源、電路保護、可再生能源和數據中心電源等快速增長的市場。

通過組合不同屬性,碳化硅 (SiC) 已成為電動汽車 (EV) 領域的主要半導體技術,其器件性能優于基于傳統硅 (Si) 器件的性能。其優勢包括更高的額定電壓、出色的功率轉換效率,以及處理更高溫度的能力。

車載充電器 (OBC)、DC/DC 轉換器和牽引逆變器均受益于 SiC 的出眾性能,同時工藝和架構的持續改進必然會進一步增加其魅力。此類改進將擴大這種寬帶隙材料的工作參數范圍,并進一步減少功率損耗。與此同時,擴大產量所帶來的規模經濟也必將降低其成本,讓其吸引力倍增。

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SiC 在電動汽車領域中的應用

影響電動汽車領域的關鍵因素:

  • 需要加快充電速度。為此,電動汽車工程團隊希望部署可在更高電壓下工作的 OBC。于是能夠適應這些電壓的 SiC 器件便有了用武之地。常用的 650V 額定電壓器件并不總是能夠滿足要求,我們需要更高額定電壓的半導體來適應更高的電池電壓。與此同時,額定電壓為 900V 或 1200V 的相關器件成本較高,很難大規模應用。可實現一定程度的電壓提升,但所涉及費用不會大幅提高的解決方案將是最優選擇。

  • 需要支持更高的工作頻率。要提高開關速度,就必須盡可能地降低開關損耗。否則效率水平就會降低,且熱管理裝置將需要更多空間。這將增加整體尺寸、重量和成本,所以需加以避免。

  • 大幅降低運行損耗。這樣就可以延長電動汽車的單次充電續航里程。這還可以縮小電動汽車的電池尺寸。對于汽車制造商來說,兩者均非常具有吸引力。

  • 成本考慮因素。另一個加速從內燃機汽車向電動汽車轉變的重要因素就是,制造商是否能夠減少消費者購買電動汽車時必須進行的投資。如果要做到這一點,就必須控制與各組件相關的成本。而在總成本中,逆變器元件所占的比例特別大。

事實證明,認識到上述因素的本質,以及找到可行性解決方案的迫切性是推動 UnitedSiC 開發其第四代 SiC 技術的關鍵。1中列出了對其他供應商提供的 SiC 技術的規范改進。表中將額定電壓為 750V 的新型 UJ4C075018K4S SiC FET 與三種 650V SiC MOSFET 替代方案以及一種硅基超結 FET 器件進行了比較。盡管第 4 代 SiC FET 具有明顯更高的額定電壓,但該技術的單位面積導通電阻比其他 SiC MOSFET 的低 2 到 3 倍,且比硅基超結 FET 器件低不止一個數量級。這意味著 SiC FET 在更小的封裝內便能實現類似的性能。

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表 1:UnitedSiC 第 4 代 SiC FET 與 Si 超結和 SiC 同類競爭器件的比較

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SiC FET 采用了高密度溝槽 SiC JFET 結構,因此實現了超低單位面積導通電阻。該結構與低電壓 Si MOSFET 共同封裝。SiC JFET 的面積更小意味著,對于給定的晶粒尺寸,導通電阻將非常低(圖 1)。與之對應的,可以使用電容更低且外形更小巧的 FET,同時將導通電阻保持在可接受的較低水平。

為降低電阻值和熱阻值,同時遏制相關損耗,SiC 基材的厚度明顯更薄。為保持結構的完整性,需將減薄的基材通過銀 (Ag) 燒結材料(熱導率比標準焊接材料高 6 倍)連接到銅 (Cu) 引線框。

UnitedSiC 第 4 代 SiC 技術帶來的其他優勢還包括大幅降低相關柵極驅動損耗,如表 4 中所示(與表中所列其他器件相比)。這意味著開關速度可提高三倍,且不會導致柵極驅動 IC 過熱。也無需使用負柵極驅動。由于具有較低的正向壓降 (VFSD) 和最低的反向恢復電荷 (QRR),其 VF.QRR 品質因數 (FoM) 也非常出色。這是目前市場上任何其他器件都無法比擬的。

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圖 1:額定 750V UnitedSiC 第 4 代 SiC FET 與額定 650V FET 競爭產品之間的單位面積導通電阻比較

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SiC 已經開始用于提高電動汽車動力傳動系統和電池系統的效率,從而實現遠遠超過 Si 半導體技術限制的性能基準。下一代 SiC 技術的出現將進一步肯定 SiC 在未來幾年促進電動汽車在全球普及的價值。

欲了解更多詳細信息,請查看我們最近發表在 Power Systems Design 一月刊上的文章 https://www.powersystemsdesign.com/print-archives-dir/476/。


原文標題:真正實現碳化硅的汽車應用資質

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