碳化硅开关会主导电动汽车的动力传动系统吗

根据美国能源部的数据，如今美国道路上只有不到 1% 的汽车由电力驱动，但到 2050 年，这一比例可能会上升到 65-75%。这是否真的会发生将取决于诸如负担能力、法规和技术进步等因素。不过，毫无疑问的是，自 1997 年首次推出丰田普锐斯以来，现代电动汽车 (EV) 有了显着改进。特斯拉等公司已经开发出先进的电池、电机和控制技术，使他们能够定期提供具有出色性能和 300 英里或更长续航里程的车辆。

不过，仍有很大的改进空间。电动汽车将储存在电池中的能量转化为车轮动力的效率在 59% 到 62% 之间，尽管这比现代内燃机实现的 21% 左右要好得多。

提高电动汽车效率的一种方法是在动力传动系统中使用更高效的半导体开关，以及越来越多的电动辅助车辆系统，例如空调和照明。越来越值得确保将主电池电压（通常为 400V）转换为 12V 或 24V 的电源转换器，因为这些功能使用最新的电路拓扑和半导体来实现最大效率，至少对于不被视为安全至关重要。

另一方面，传动系统中使用的电机控制电子设备被视为安全关键功能，因此设计人员必须依赖经过充分验证的技术。这就是为什么特斯拉现在只在其牵引电机控制器中引入 SiC FET，直到最近才不得不依赖 TO-247 封装的 IGBT。

在电机控制中使用宽带隙半导体

用碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 材料制造的宽带隙 (WBG) 半导体现在正用于电机控制，因为它们提供更快的开关，这对于在高基频下运行并需要良好过滤纹波的电机来说可能是必需的无正弦电流和低传导损耗，因为它们没有拐点电压。这些特性的组合提供了更高的效率、更小的尺寸和重量，从而降低了成本。WBG 器件还可以在高温下运行，对于 SiC 而言，通常为 200°C，峰值温度超过 600°C，从而提供有用的安全裕度。

SiC FET 基础知识

United SiC生产 SiC FET，由 SiC JFET 和 Si MOSFET 的共源共栅排列形成。这种复合器件在无偏压时常关，可以在纳秒内切换。与 SiC MOSFET 和 GaN 器件相比，SiC FET 易于驱动并提供出色的单位芯片面积导通电阻（图 2 显示了与竞争技术的比较）。这些器件具有极低的内部电容，最大限度地减少了开关转换的损耗。并且 SiC FET 具有非常快的体二极管，可降低电机驱动等应用中的损耗。

图 2：将 SiC FET 的每单位芯片面积的导通电阻与竞争技术进行比较

电动汽车驱动中的 SiC FET

WBG 设备尚未在电动汽车中广泛采用的实际原因有几个。首先是与类似额定值的 IGBT 相比的成本。还有一种情况是，电机的电感不会像 DC-DC 转换器那样按比例缩小，从而降低了更高的开关频率的吸引力。SiC FET 实现的高开关速度可提供更高的转换效率，但代价是电压变化非常迅速（高dv/dt率），这会给电机绕组的绝缘带来压力。并且，WBG 器件在电机驱动电路的恶劣环境中的可靠性存在疑问，因为它具有潜在的短路、所需的较长工作寿命和较高的工作温度。

尽管如此，这些设备承诺更好的转换效率，这在系统层面转化为更大的驱动范围，并在实施层面转化为更小、更便宜、更轻的散热器。在典型工作条件下，SiC FET 的效率与 IGBT 相比特别好，因为 IGBT 具有“拐点”电压，这实际上意味着它们在所有驱动条件下都具有最小的功率损耗。下面的图 3 比较了使用两个 1cm x 1cm IGBT 芯片的 200A、1200V IGBT 模块与具有两个 0.6 X 0.6cm SiC 堆栈共源共栅芯片的 200A、1200V SiC FET 模块。

图 3：比较使用 Si IGBT 或 SiC FET 构建的 200A、1200V 开关模块在室温和高温下的传导损耗

该图显示 SiC FET 可以在给定的模块占位面积中提供最低的传导损耗，而且成本将会下降，因为 SiC FET 芯片尺寸比同等额定值的硅 IGBT 小得多。

可靠性问题

一些 WBG 设备确实存在可靠性问题。例如，SiC MOSFET 和 GaN 器件对栅极电压极为敏感，其绝对最大值非常接近其推荐的工作条件。另一方面，碳化硅 FET 将容忍宽范围的栅极电压，并且裕度可以达到绝对最大值。

在 EV 电机驱动中，短路额定值成为主要问题。在这里，IGBT 被视为稳健性的基准，GaN 器件性能不佳，但 SiC FET 大放异彩，因为它们在 SiC JFET 的垂直通道中具有自然的“夹断”机制，可以限制电流并使短路能力独立栅极驱动电压。SiC JFET 允许的高峰值温度也意味着它们可以比竞争器件承受更长时间的短路。汽车应用中的普遍期望是，在保护机制启动之前，设备应能承受 5µs 的短路。使用UnitedSiC 的650V SiC FET 进行测试 表明它们可以承受至少 8μs 的短路，使用 400V DC 电源总线，即使在高温下发生 100 次短路事件后，也不会降低器件的导通电阻或栅极阈值。

电机驱动应用中的另一个设备杀手是不需要的过压条件。同样，GaN 也不能幸免，但 SiC FET 具有非常好的雪崩额定值，因为内部 JFET 在其栅漏结击穿时开启以钳位电压。United SiC 的测试表明，这些器件能够进行 >10 6 次雪崩循环而不会降低器件参数。

令人信服的案例

UnitedSiC 的 SiC FET 等 WBG 器件是下一代 EV 电机驱动器的真正竞争者，满足了对更好性能、系统成本节约和经过验证的稳健运行的需求。因此，碳化硅有望在未来十年主导电动汽车的动力传动系统。
审核编辑：郭婷