由第三代 SIC MOSFET 供电的电动汽车和工业应用

意法半导体最近推出了第三代 STPOWER 碳化硅 (SiC) MOSFET，针对先进的功率应用（例如 EV 动力系统）和其他功率密度、能效和可靠性是相关关键因素的应用。

向电动汽车的过渡和内燃机的逐步替代正在推动制造越来越高效的电动汽车 (EV) 的竞赛。对于这些应用，电力电子设备发挥着至关重要的作用，可以实现更高效的逆变器、转换器、动力系统和车载充电器。电动汽车以及电动汽车充电站、工业驱动、数据中心电源、能源生产和存储等许多工业应用中使用的功率器件必须满足与功率损耗、击穿电压、开关频率、最高工作温度相关的特定要求, 和热导率。

尽管硅基功率器件多年来已广泛应用于电力电子领域，但它们仍存在一些重要的局限性，包括低带隙能量、有限的开关频率和低热导率。宽带隙器件 (WBG)，例如碳化硅，提供更大的带隙、更高的击穿电压和更好的热管理。因此，WBG 正在取代高压、高开关频率和高温应用中的硅器件。

适用于电动汽车市场的ST 第 3代SiC MOSFET

随着电动汽车市场的加速发展，汽车制造商需要更高电压（例如 800V）的驱动系统，以减少充电时间和电动汽车整体重量，这反过来意味着更长的行驶里程。ST第三代 STPOWER SiC MOSFET 专为满足高端汽车应用的要求而设计，包括电动汽车牵引逆变器、车载充电器和 DC/DC 转换器（见图 1）。

新的基于 SiC 的器件也适用于工业应用。在这些方面，它们可以提高电机驱动器、可再生能源转换器和存储系统以及电信和数据中心电源的效率。

ST 最新的 STPOWER SiC MOSFET 为表示晶体管效率、功率密度和开关性能的公认品质因数 (FoM) 设定了行业领先基准。

“今年，我们开始生产我们的第三代 STPOWER SiC MOSFET，与第二代产品相比，它提供了一系列显着改进，以满足我们客户日益苛刻的要求，”战略营销经理 Filippo Di Giovanni 说， STMicroelectronics 的功率晶体管宏观部门。

在这些改进中：导通电阻 (Ron) x die size FoM 提高了 30%，而 Ron x 栅极电荷 (Qg) FoM平均提高了 50%。

新器件将提供从 650V 和 750V 到高达 1200V 的标称额定电压，其中 900V 作为中间步骤，为设计人员提供了解决使用普通 AC 线路电压运行的应用所需的灵活性，直至使用高压 EV 电池和充电器。750V 电压变体提供了额外的电压裕度，并首次推出，以响应来自客户的精确要求。

“从历史上看，为 IGBT 引入了 750V 电压变体。由于碳化硅 MOSFET 可以在更高效的应用中替代 IGBT，因此我们提供了一个额外的电压选项，可以在不影响最大电压要求的情况下提高系统性能，”Di Giovanni 说。

图 2 更详细地显示了 SiC MOSFET 如何在 EV 应用中有效替代 IGBT 和 Si MOSFET。

图 2：在 EV 中用基于 SiC 的器件替代硅（来源：ST）

与其硅替代品相比，SiC MOSFET 的额定电压相对于其裸片尺寸而言具有更高的额定电压，这使得这些器件成为 EV 应用和快速充电 EV 基础设施的绝佳选择。此外，它们还受益于一个非常快速的本征二极管，该二极管可提供汽车车载充电器 (OBC) 所需的双向特性，用于车辆到一切 (V2X) 功率流，允许将电力从 OBC 电池传输到基础设施。此外，碳化硅支持更高的开关频率，允许在电力系统中使用更小的无源元件，并在车辆中使用更紧凑和更轻便的电气设备。

“得益于我们专有的平面技术，我们的成就和改进得以实现，该技术仍然有助于进一步改进。可能的。事实上，我们仍在继续我们的路线图，并预计能够在几年内推出第四次平面迭代，”Di Giovanni 说。

在 ST，工程师们还开始利用 ST 在功率半导体领域的长期知识和专长，对新结构进行高级仿真。他们正处于起步阶段，仍在忙于改进平面结构，他们认为这是解决问题的最佳方法之一。制造碳化硅 MOSFET。

ST将提供不同形式的第三代器件，包括裸片、STPAK、H2PAK-7L、HiP247-4L和HU3PAK等分立电源封装以及ACEPACK系列的电源模块。这些封装还提供创新的设计功能，例如专门放置的冷却片，可简化与 EV 应用中的基板和散热器的连接。这些选项为设计人员提供了针对电动汽车主牵引逆变器、车载充电器 (OBC)、DC/DC 转换器、电子气候压缩机等应用以及太阳能逆变器、储能系统、电机驱动等工业应用进一步优化的选择和电源。

关于应用，Di Giovanni 认为最大的市场仍将是电动汽车。就数量而言，他认为即使公司已经开始服务于高端工业市场，汽车行业仍将带动碳化硅的产能。ST 于 2014 年开始生产其首款 1200V SiC MOSFET 时，主要针对太阳能逆变器市场。然后，他们勇敢地决定将这项全新的技术用于新兴的电动汽车市场，使 ST 成为该技术无可争议的市场领导者。

“在汽车应用的恶劣和恶劣环境中测试和调试了这项技术之后，我们可以安全地将这项技术推荐给任何其他市场，包括工业市场，”Di Giovanni 说。

为了满足不断增长的需求，ST 正在扩大其碳化硅 MOSFET 的生产和制造能力。在新加坡启动第二条 6 英寸生产线后，ST 扩大了其位于卡塔尼亚（意大利）的主要工厂的产能，成功复制了首批 8 英寸 SiC 原型，首先是实现了二极管。

“我们计划在 2024 年使所有碳化硅产品的收入达到 10 亿美元，这比我们之前宣布的要早一年，”Di Giovanni 说。

审核编辑 黄昊宇