安森美EliteSiC MOSFET与栅极驱动器在电动汽车电力系统的应用

在欧盟2035年零排放目标等雄心勃勃的计划推动下，从化石燃料向电动汽车(EV)的转型正在加速。为了吸引消费者，电动汽车必须拥有足够的续航里程，支持快速充电，而且要经济实惠。在这一变革中，碳化硅(SiC)半导体，尤其是MOSFET器件，是大幅提升电力电子性能的关键技术。

SiC MOSFET的优势

在高压应用中，SiC MOSFET性能优于传统硅器件，具体表现为能效更高、开关速度更快、热损耗更低。借助这项技术，主驱逆变器和车载充电器(OBC)能够在保持高能效和峰值功率的同时，实现更紧凑的模块设计，从而减轻整车重量，提升空间利用率。

图1：安森美EliteSiC MOSFET 的技术演进

左：M1技术（平面方形单元）

中：M2技术（采用薄晶圆技术的平面细长六角单元）

右：M3S技术（平面条带单元，薄晶圆技术，单位单元数量显著减少）

提升电动汽车应用的性能

在电动汽车的关键应用中，SiC MOSFET 正逐渐取代Si MOSFET、二极管和IGBT。虽然IGBT技术因其成本优势仍广泛应用于中低端电动汽车，但SiC器件凭借更高的开关频率，降低了导通损耗和开关损耗，提升了能效，并实现了更高的功率和电流密度。

采用安森美(onsemi)的EliteSiC MOSFET后，开发者不仅可以构建支持800 V 电池电压的22 kW OBC 功率级，还能打造HV-LV DC-DC 转换器，将400 V 或800 V 电池的高电压降至12 V 低压电网。为了充分发挥SiC MOSFET 的性能优势，其他系统元件（如栅极驱动器）应针对这项技术进行优化。

主驱逆变器和市场增长

主驱逆变器是电动汽车中的关键部件，用于将直流电转换为交流电以驱动电机。在这个领域，SiC器件正在逐步取代传统的IGBT。IDTechEx预测，到2035年，SiC MOSFET 将成为电动汽车逆变器市场的主流技术。此类逆变器需要使用额定电压为600 V 至1200 V 的高压元件，每相工作电流峰值高达200 A，功率范围为50 kW 至250 kW 甚至更高。

IDTechEx还预测，到2035年，电动汽车电力电子器件的全球市场规模将达到360亿美元，2025至2035年间的复合年增长率(CAGR)将高达17%。

栅极驱动器的作用

采用SiC MOSFET 的高性能电力系统为了实现最优能效，必须配备具有高拉电流和灌电流峰值能力的隔离式栅极驱动器。栅极驱动器负责控制SiC MOSFET 等功率晶体管的开关速度，提供快速切换所需的精准栅极电压(VGS)和电流，对于有效降低开关损耗和导通损耗至关重要。

图2：NCV51752内部电路简化框图

专用栅极驱动器为MOSFET栅极提供必要的电压和驱动电流，并集成低压侧和高压侧之间所需的隔离栅。这类驱动器通过实现电气隔离、独立欠压锁定和多种故障保护机制等特性，提升了系统的可靠性、电路稳健性和运行安全性。

集成负偏压控制的隔离式栅极驱动器

安森美的NCV51752是一款单通道栅极驱动器，用于驱动SiC MOSFET，确保开关快速可靠。凭借36 ns 的短传播延迟和200 V/ns 的高dV/dt抗扰度，NCV51752能够有效提升SiC系统的性能，并可凭借集成的负偏压控制和高隔离电压，进一步提高可靠性和安全性。

图3：能够产生负偏压的NCV51752栅极驱动器的典型示例原理图

SiC MOSFET 是高速开关器件，可能产生高摆率，导致器件因米勒电容效应而触发寄生导通。NCV51752通过在关断期间将VGS拉至0V以下来避免此问题，防止误导通，而且无需外接负偏压轨，从而节省整体系统成本。

SiC和高性能栅极驱动器正在革新电动汽车电力系统，带来更高的能效、更快的开关速度和更优越的性能。随着电动汽车市场持续增长，这些技术将在满足消费者期望和符合监管目标方面发挥关键作用，引领可持续交通出行的未来发展。