追求尽善尽美–电动车中的SiC半导体

UnitedSiC工程副总裁Anup Bhalla

完美的半导体开关永远近在咫尺又遥不可及，但是人们仍在不断努力追寻，以期在电动车等重要应用中获得更高的功率转换效率。本文探讨了SiC FET共源共栅结构是如何提供最佳性能和一系列其他好处的。

如果只能减少几美分的电费或者对全球CO2排放贡献不大，那么人们很难响应电子器件的节能号召，但是如果电动车的效率能提高，那么效果就显而易见了，会有更长的单次充电行驶里程、更轻的重量和更低的行驶成本。现在，车辆电池和功率转换技术的进步十分明显，甚至使得部分国家/地区准备限制内燃机车辆的销售，而大部分最新的车辆技术研发都集中在电动车及其传动系统上。

寻找完美开关

电动车中装满了需要动力的电子器件，从牵引逆变器到车载充电器和辅助电源，比比皆是。无论哪种，要实现高效，都需要使用开关模式技术生成电压轨，而这需要半导体在高频下运行。该应用的理想开关应该在打开时电阻接近于零，在关闭时没有漏电，且击穿电压高（图1）。当开关处于两种状态之间的过渡期时，不应有瞬态功耗，且任何残余损耗导致的开关温度上升都应该非常小。经过多年发展，推出的半导体技术比以往任何时候都靠近理想状态，但是人们的期望也有了变化，对理想开关的寻找仍在继续。

图1：理想开关

理想开关的候选者

今天的开关选择多种多样，IGBT因低导电损耗而受到极大功率应用的青睐，MOSFET则凭借能尽量减小相关组件（尤其是磁性元件）体积和成本的快速开关能力占领了大部分中低功率应用。传统MOSFET采用硅技术，但是现在，碳化硅（SiC）也因其特有的低动态损耗、低导电损耗和高温下运行优势而受到青睐。它向着难以企及的理想开关又迈进了一步，但是还有另一个更好的方法，那就是将SiC JFET与低压硅MOSFET以共源共栅结构一同封装，从而获得所谓的“SiC FET”。简言之，Si-MOSFET提供简单的非临界栅极驱动，同时将常开JFET转变成常关共源共栅，并附带一系列胜过硅或SiC MOSFET的优势。图2显示的是SiC FET中的IGBT、平面SiC MOSFET和JFET的基本构造，均为1200V等级。

图2：IGBT、SiC MOSFET和SiC JFET构造

从图2中可以清楚地看出，在MOSFET或JFET中，SiC的较高临界击穿电压大幅减薄了漂移层，使其约为IGBT中硅漂移层厚度的十分之一，相应电阻也会较低。硅IGBT通过在较厚的漂移层中注入大量载流子来降低电阻，而这会导致100倍的存储电荷，在每个开关周期，这些电荷都必须出入漂移层。这会带来相对较高的开关损耗和不低的栅极驱动功率要求。SiC MOSFET和JFET是单极器件，电荷仅进出器件电容，因而动态损耗要低得多。

现在，将SiC FET与SiC MOSFET比较。SiC FET沟道中的电子迁移率要好得多，因而在相同电阻下，晶粒可以小得多，所以它的电容较低，开关更快，或者在相同晶粒面积A下，导通电阻RDS（ON）较低。因此，性能表征RDS（ON）.A是一个关键指标，表明了在给定性能下每个晶圆是否可能得到更多晶粒，以及随之而来的成本节省，或表明给定晶粒面积下的导电损耗是否能降低。同理，性能表征RDS（ON）.COSS可量化导通电阻和输出电容之间的相互作用，该值进行了折衷以实现给定额定电压，从而增减开关损耗。

在保持其他要素不变的情况下，让每个晶圆产生更多晶粒同时提高开关速度这种两全其美的好事也有一点不利之处，那就是散热的面积变小了。碳化硅的导热系数比硅好3倍，这对散热有利，而且碳化硅还能在更高的平均温度和峰值温度下运行。为了获得这些优势，最新一代SiC FET（第四代）采用晶圆减薄法降低了电阻和热阻，并采用银烧结晶粒粘接法获得了比焊料好6倍的导热系数，最终效果是提升了可靠性，因为结温低且距离最大绝对值有很大的裕度。

与SiC MOSFET相比，SiC FET有很多优势，具体优势因应用而异，但是可以用重要性能表征和特征的雷达图来总结（图3）。

图3：SiC FET在不同应用中的优势雷达图

已将多个图归一化到UnitedSiC GEN 4 SiC FET的特征中，表明无论高温还是低温，它在所有方面都有不凡的性能。

实际结果证实了SiC FET的前景

UnitedSiC已经用图腾柱PFC级设计证实了SiC FET的有效性，该设计可在连续导电模式下工作并采用“硬”开关，这是典型的电动车车载充电器前端设计。转换器额定功率为3.6kW，输入85-264V交流电，输出390V直流电，在TO-247-4L封装中安装了18或60毫欧第四代SiC FET，开关频率为60kHz。图4显示的是系统效率图，从图中可以看出，在将一个18毫欧SiC FET用于高频高低两侧开关位置时，在230V交流电下，效率达到峰值99.37%。在最高的3.6kW输出下，这些SiC FET一共耗散16W能量，无效能量仅占0.44%，因而需要散出的热量极少。

图4：采用SiC FET的图腾柱PFC级的能效达到99.37%

在电动车中还有一个具备隔离功能的降频级，可将牵引电池电压降至12V，它通常与LLC转换器一同实施，后者是目前实现高能效时的首选拓扑。LLC转换器在高频下通过共振方式开关，以实现最高性能，而SiC FET再次成为一个好选择。在3.6kW下，以500kHz频率开关时，一对第四代750V 18毫欧MOSFET耗散的功率还不到每个6.5W，其中包括导电损耗、开关损耗和体二极管损耗。

牵引逆变器是节能的重点部件，而SiC FET可以取代IGBT以切实提高能效。开关频率维持在低水平，通常为8kHz，即使采用SiC器件也是如此，因为磁性元件是发动机，它的体积不会随着逆变器频率提高而直接缩小。要实现显著改进，可以替换一个IGBT及其并联二极管，例如可以用六个并联的6毫欧SiC FET来替代，这种方法可以在200kW输出电压下将半导体效率提升1.6%，使其达到99.36%，这表示功率损耗降低了三分之一以上，也就是3kW。在更高负载下，也就是车辆行驶时通常会达到的负载下，它的表现会更好，损耗甚至会降至IGBT技术的五分之一到六分之一。所有这些同时还伴随着低得多的栅极驱动功率和无“拐点”电压的优势，因而在轻负载下更好控制。过程中的较低损耗意味着散热器体积、重量和成本的缩减以及更好的单次充电行驶里程，因而额外花费的半导体单元成本很快就会被抵消。

我们达到尽善尽美了吗？

没有一家半导体制造商敢于声称它们的开关是完美的，但是既然功率转换器效率已经超过99%并精确到小数点后，就表示我们正在接近完美开关。这是SiC FET带来的，而且您可以使用UnitedSiC网站上的SiC FET-JET计算器亲自尝试，它可以计算各种交直流和直流拓扑的损耗。