電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (EV/HEV) 的電池頗受關(guān)注，然而，工程實(shí)際卻是整個(gè)動(dòng)力管理子系統(tǒng) — 包括基本電機(jī)驅(qū)動(dòng)、車載和外部充電器、電源使用和再生制動(dòng)等功能，都與提高 EV 性能同等重要。因此，隨著 EV 需求量持續(xù)增長，人們越來越重視改良組件的開發(fā)和利用，以此優(yōu)化 EV 電池使用并延長汽車行駛里程。

由作為功率控制器件的標(biāo)準(zhǔn)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 渡越為基于碳化硅 (SiC) 基底和工藝技術(shù)的 FET，標(biāo)志著向 EV 能效和系統(tǒng)整體特性提升邁出的重要一步。不過，SiC 器件的關(guān)鍵規(guī)格和驅(qū)動(dòng)要求都與 MOSFET 有所區(qū)別，只有深入了解才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

本文概述了 EV 和 HEV 的動(dòng)力要求，解釋 SiC 基功率器件適合此類應(yīng)用的原因，并闡明其輔助器件驅(qū)動(dòng)器的功能。本文先簡要討論通過汽車級 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)鑒定對分立式器件的意義，然后介紹ROHM Semiconductor推出的兩款通過 AEC 標(biāo)準(zhǔn)鑒定的 SiC 功率器件，并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)成功設(shè)計(jì)必須考慮的關(guān)鍵特性。

為 EV 和 HEV 提供動(dòng)力

內(nèi)燃機(jī) (IC)、EV 和 HEV 等所有汽車對動(dòng)力子系統(tǒng)的需求一直呈指數(shù)級增長，以支持高級輔助駕駛系統(tǒng) (ADAS)、電動(dòng)車窗、車門和后視鏡、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)及連接、雷達(dá)、娛樂系統(tǒng)、GPS 等功能。

IC 車輛的主要電源通常采用 12 V，100 至 200 Ah 的標(biāo)準(zhǔn)鉛酸電池。不過，相較于 EV 電池，其電量要求相對較小，因?yàn)?EV 電池還必須為“原動(dòng)機(jī)”供電（圖 1）。因此，EV 電池組容量范圍為 50 至 150 kWh，具體取決于車輛功能、尺寸和供應(yīng)商，電壓典型值為 200 至 300 V。如需進(jìn)行同環(huán)境比較，則使用以下公式將其轉(zhuǎn)換為 Ah：Ah = (kWh × 1,000)/V。

圖 1：EV 基于電池的動(dòng)力子系統(tǒng)為牽引電機(jī)及相關(guān)功能，以及如今駕駛員所期望的許多標(biāo)準(zhǔn)特性和功能供電。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

除了使用許多小型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)內(nèi)部功能和充電外，許多 EV（但不全是）還通過直流/交流 (DC/AC) 轉(zhuǎn)換器為牽引電機(jī)提供變頻交流電 (AC)。牽引電機(jī)的額定功率范圍從約 150 hp（低端車輛）到 500 hp 以上（頂級特斯拉）。按 1 hp 約等于 750 W 計(jì)算，電機(jī)的耗電量相當(dāng)大。

動(dòng)力子系統(tǒng)整體能效的決定因素眾多，其中最重要的還屬開關(guān)穩(wěn)壓器的性能。該器件可將原始電能轉(zhuǎn)換為傳動(dòng)系統(tǒng)和電池充電所需的電壓/電流。

原因很簡單，電流水平達(dá)到數(shù)百安培時(shí)，基本的阻抗 (IR) 壓降就成了關(guān)鍵參數(shù)。例如，100 A 時(shí)，即便只是 100 mΩ 的導(dǎo)通電阻 (RDS(ON)) 也會(huì)在兩方面產(chǎn)生不利影響：一是 10 V 的輸送電壓損耗，二是必須管理 100 W 的耗散功率 (I2R)。除 RDS(ON)損耗外，DC/AC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗也會(huì)降低能效，縮短電池續(xù)航時(shí)間，并且增加熱負(fù)荷和耗散功率。

為什么要考慮 SiC？

眾所周知，針對這些靜態(tài)損耗，降低 IR 壓降和 I2R 損耗的常用策略有兩種：1) 降低導(dǎo)通電阻；2) 提高系統(tǒng)工作電壓從而降低所需電流，卻可為負(fù)載提供等量功率。任何以期降低動(dòng)態(tài)開關(guān)損耗的器件改進(jìn)（通常與器件物理特性、開關(guān)頻率及其他因素有關(guān)）都會(huì)產(chǎn)生巨大影響。

過去數(shù)十年間，市面上主要的功率開關(guān)器件是硅 (Si) 基 MOSFET 和絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)。盡管技術(shù)進(jìn)步顯著提高了器件性能，但改進(jìn)已基本進(jìn)入平臺(tái)期。與此同時(shí)，EV 應(yīng)用卻需要性能表現(xiàn)更佳的開關(guān)器件兼具可行性和吸引力。

所幸過去數(shù)十年間，另一種固態(tài) MOSFET 工藝技術(shù)已然成熟：這種技術(shù)基于由硅和碳通過共價(jià)鍵連接而成的碳化硅 (SiC) 材料，而非全硅材料。盡管 SiC 擁有百余種不同型態(tài)（獨(dú)特結(jié)構(gòu)），但由于生產(chǎn)和加工原因，4H 型和 6H 型最受青睞。

相較于全 Si MOSFET，SiC MOSFET 在許多關(guān)鍵屬性上具有絕對優(yōu)勢：

SiC 的臨界電場約為 Si 的 8 倍，因此非常適合用作功率半導(dǎo)體器件。高介電強(qiáng)度可使芯片更薄，摻雜層相對較厚，并且損耗更低。

SiC 的導(dǎo)熱率約為 Si 的 3 倍，因此產(chǎn)生的全部熱量都可以通過傳導(dǎo)傳遞，材料本身的溫度自然就低得多。

SiC 的熔點(diǎn)相當(dāng)高，因此工作溫度可達(dá) 400℃ 以上（標(biāo)準(zhǔn) Si 器件最高達(dá) 150℃）。較高的工作溫度極大簡化了冷卻要求，使 SiC 器件即使在更高的環(huán)境溫度下工作，溫差仍足以支持熱量的傳導(dǎo)和對流。

SiC 支持的最大電流密度是硅器件的 2 至 3 倍，因此在給定功率水平下可以降低元器件和系統(tǒng)成本。

如表 1 所示，標(biāo)準(zhǔn)硅、4H SiC 和 6H SiC 本身的臨界電氣特性規(guī)格顯然各有不同。SiC 的帶隙能量和臨界電場值較高，因而工作電壓相對較高；電子和空穴遷移率較小，開關(guān)損耗較低，因而工作頻率較高（所需濾波器和無源元器件也相對較少）。此外，較高的導(dǎo)熱率和工作溫度也簡化了冷卻要求。

表 1：硅、兩種型態(tài)的 SiC 與金剛石（用以對照）的基本材料級關(guān)鍵電氣特性。（表格來源：Semantic Scholar）

SiC 成熟度與 AEC-Q101

不過，SiC 器件從理論推斷過渡到具體實(shí)現(xiàn)，發(fā)展并非一路順暢快捷。但是在過去十年間，經(jīng)過數(shù)次更新?lián)Q代，每一次都伴隨著工藝的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)的重大變化，SiC 基 MOSFET 終于發(fā)展成熟。

例如，ROHM Semiconductor 長期以來提供的第 2代 SiC 器件已廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域。第 2代 SiC 器件等標(biāo)準(zhǔn) SiC MOSFET 大多采用共面結(jié)構(gòu)，隨著芯片尺寸減小將逐漸接近 FET 內(nèi)阻下限（圖 2）。相比之下，ROHM 的第 3代產(chǎn)品采用雙溝槽結(jié)構(gòu)（柵極溝槽和源極溝槽），從而有效減小溝道尺寸和導(dǎo)通電阻。

圖 2：ROHM 的SiC器件由第 2代過渡到第 3代，伴隨著工藝的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)的重大變化。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

ROHM 的第 3代 SiC MOSFET 采用專有溝槽式柵極結(jié)構(gòu)。相較于現(xiàn)有的共面型 SiC MOSFET，這種結(jié)構(gòu)使導(dǎo)通電阻減少 50％，輸入電容減少 35％，從而顯著降低開關(guān)損耗，提高開關(guān)速度和能效。此外，相比 600 V 和 900 V 的器件，1200/1800 V 的 SiC MOSFET 芯片面積更小（因此封裝尺寸更小），體二極管的恢復(fù)損耗也相對較低。

符合 AEC 標(biāo)準(zhǔn)

伴隨成熟 SiC 器件及此前數(shù)代產(chǎn)品的另一個(gè)問題在于，是否能夠通過 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)鑒定。該標(biāo)準(zhǔn)基于美國汽車電子委員會(huì) (AEC) 頒布的一套規(guī)范。該委員會(huì)由主要汽車制造商和美國電子元器件制造商組成，負(fù)責(zé)構(gòu)建汽車電子可靠性測試體系。主要協(xié)議有：

AEC-Q100（IC 器件）

AEC-Q101（MOSFET 等分立元器件）

AEC-Q102（分立光電元件）

AEC-Q104（多芯片模塊）

AEC-Q200（無源元器件）

相比工業(yè)應(yīng)用中廣泛采用的其他標(biāo)準(zhǔn)，AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。AEC 規(guī)范設(shè)立了一系列等級，如表 2 所示。SiC 器件可以滿足 0 級（-40℃ 至 +150℃），而全硅器件往往達(dá)不到該等級。1 級適用于車內(nèi)應(yīng)用，確保器件可在 -40℃ 至 +125℃ 的環(huán)境溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，但傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)應(yīng)用則需要 0 級。

表 2：相比商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中采用的其他標(biāo)準(zhǔn)，AEC 可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)更具挑戰(zhàn)性。（表格來源：Texas Instruments）

請注意，據(jù)某些供應(yīng)商報(bào)告稱，工業(yè)應(yīng)用開始逐步采用 AEC-Q100 系列規(guī)范以確保增強(qiáng)可靠性。從成本角度來看，此舉確實(shí)可行。由于電子設(shè)備和元器件廣泛應(yīng)用于汽車，顯著降低了工業(yè)應(yīng)用與汽車應(yīng)用之間的價(jià)格差異。

SiC 器件支持中等至大電流設(shè)計(jì)

SiC 器件不單單適用于 EV 的大電流應(yīng)用。除傳動(dòng)系統(tǒng)外，許多低功率功能（例如電動(dòng)座椅/車窗、座椅和車廂加熱器、電池預(yù)熱器、交流電機(jī)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)）也可受益于 SiC MOSFET 的特性。

例如，ROHM 的SCT3160KL是一款 N 溝道 SiC 功率 MOSFET，經(jīng)優(yōu)化負(fù)載高達(dá) 17 A（圖 3）。該器件采用 TO-247N 封裝，尺寸僅為 16 mm（寬）x 21 mm（高）x 5 mm（厚），通過背面的散熱接片可輕松連接至散熱器（圖 4）。由其頂級規(guī)格可知，該器件適用于中等電流和功率要求的應(yīng)用（表 3）。

圖 3：ROHM 的 SCT3160KL 是一款基本 N 溝道 SiC 功率 MOSFET，負(fù)載高達(dá) 17 A。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

圖 4：SCT3160KL 封裝尺寸為 16 mm × 21 mm × 5 mm，通過背面的散熱接片可提供增強(qiáng)的散熱功能。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

表 3：SCT3160KL 的基本規(guī)格表明，該器件適合驅(qū)動(dòng) EV 中許多較小負(fù)載或?yàn)槠渌麘?yīng)用供電。（表格來源：ROHM Semiconductor）

如最大安全工作區(qū)域 (SOA) 圖所示，該 SiC 器件適用于脈沖工作周期，典型代表為高壓開關(guān)電源和高壓穩(wěn)壓器（圖 5）。

圖 5：SCT3160KL 的 SOA 圖顯示并規(guī)定了漏電流、漏源電壓和脈沖功率處理的最大限值。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

當(dāng)然，電流越大，SiC 基器件的優(yōu)勢越明顯。ROHM 的SCT3022AL也是一款采用 TO-247N 封裝的 N 溝道 SiC 功率 MOSFET。由主要規(guī)格（表 4）和 SOA（圖 6）可知，由于導(dǎo)通電阻較小，額定電流較大，該器件適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)換、電池管理以及 EV 電池充電。

表 4：由于較低的導(dǎo)通電阻及其他屬性，ROHM 的 SCT3022AL N 溝道 SiC 功率 MOSFET 適用于大電流設(shè)計(jì)。（表格來源：ROHM Semiconductor）

圖 6：SCT3022AL N 溝道 SiC 功率 MOSFET 的 SOA 圖清楚表明，該器件可有效支持電流和功率相對較大的應(yīng)用。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

SiC FET 的輔助柵極驅(qū)動(dòng)器

無論是硅 MOSFET、SiC FET 還是 IGBT，功率器件本身只是功率轉(zhuǎn)換/控制設(shè)計(jì)的一部分。實(shí)際上，大功率“信號鏈”運(yùn)行需要三大功能：控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器和功率半導(dǎo)體。

在驅(qū)動(dòng)特性方面，SiC 器件與 Si 器件（和 IGBT）雖有類似，卻仍有較大差異。例如，由于 SiC MOSFET 的跨導(dǎo)較低，從線性（阻性）區(qū)域到飽和區(qū)域的過渡相對平緩，不似 Si 器件一般明顯，因此導(dǎo)通狀態(tài)下，SiC 器件的柵源電壓 (VGS) 大于 20 V，而關(guān)斷狀態(tài)下則介于 -2 V 至 -5 V 之間（因?yàn)?VGS閾值的噪聲容限較低）。

SiC 驅(qū)動(dòng)器需要滿足以下條件：

供電電壓相對較高（25 至 30 V），通過低傳導(dǎo)損耗實(shí)現(xiàn)高能效

具有較大驅(qū)動(dòng)電流（典型值 > 5 A）、低阻抗和快速壓擺率，瞬態(tài)電壓變化率 (dV/dt) 較小，使驅(qū)動(dòng)電流流入和流出柵極電容時(shí)開關(guān)損耗更低

快速短路保護(hù)（典型響應(yīng)值 <400 ns），因?yàn)?SiC 器件的開關(guān)速度比 Si 器件快

降低傳播延遲和器件間偏移（同樣可提高能效）

具有超高 dV/dt 抗擾度，可確保在高電壓大電流工作環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行

SiC 基 FET、Si MOSFET 與 IGBT 的差異一覽表如下。

表 5：雖然 Si 基 MOSFET 和 IGBT 的驅(qū)動(dòng)要求大致相同，但 SiC 器件的驅(qū)動(dòng)規(guī)格卻大不相同。（表格來源：Texas Instruments）

由于這些器件與各種其他系統(tǒng)拓?fù)湟蛩囟荚诟邏合逻\(yùn)行，因此設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中通常包括爬電距離和間隙尺寸相關(guān)的監(jiān)管問題。此外，在控制器和功率器件之間進(jìn)行電流（阻性）隔離總是必要之舉。

電流隔離可以使用獨(dú)立元器件布置于控制器和驅(qū)動(dòng)器之間，也可以使用多芯片驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)置功能。后者可使整體占用空間更小，但是一些設(shè)計(jì)人員更傾向于使用獨(dú)立隔離器，以便選擇隔離技術(shù)（例如磁、光、電容）以及性能規(guī)格。

例如，Texas Instruments 的UCC27531-Q1是一款通過 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)鑒定（1 級）的非隔離式單通道高速柵極驅(qū)動(dòng)器，可用于 SiC（及其他）器件（圖 7）。VDD為 18 V 時(shí)，峰值拉電流高達(dá) 2.5 A，灌電流達(dá) 5 A。不對稱驅(qū)動(dòng)模式下的強(qiáng)大灌入功能，提高了系統(tǒng)免受寄生米勒導(dǎo)通效應(yīng)干擾的能力。驅(qū)動(dòng) 1800 pF 負(fù)載時(shí)，傳播延遲為 17 ns（典型值），快速上升/下降時(shí)間為 15/7 ns，因此該器件適合驅(qū)動(dòng) SiC 器件。

圖 7：Texas Instruments 的 UCC27531-Q1 非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，滿足 SiC 開關(guān)器件的技術(shù)要求。（圖片來源：Texas Instruments）

這款采用 6 引腳 SOT-23 封裝的小型驅(qū)動(dòng)器看似功能簡單，卻能有效滿足 SiC 器件的特定驅(qū)動(dòng)需求。

該器件的輸出級采用獨(dú)特的架構(gòu)，從而在最需要時(shí)提供峰值拉電流，即功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的米勒平臺(tái)區(qū)域，此時(shí)功率開關(guān)漏極/集電極電壓的 dV/dt 最大（圖 8）。實(shí)現(xiàn)方法是在輸出由低電平轉(zhuǎn)為高電平時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器輸出峰值拉電流，N 溝道 MOSFET 則在這一瞬間實(shí)現(xiàn)快速導(dǎo)通。

圖 8：Texas Instruments 的 UCC27531-Q1 柵極驅(qū)動(dòng)器增加了特殊電路和時(shí)序，最大限度地增大拉電流，并在 SiC 功率器件最需要的瞬間提供。（圖片來源：Texas Instruments）

Power Integrations的SIC1182K是隔離式 SiC 驅(qū)動(dòng)器解決方案，這款 8 A 單通道 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器具有高達(dá) 1200 V 的高級有源鉗位和增強(qiáng)隔離。請注意，這款隔離式 SiC 驅(qū)動(dòng)器模塊未通過 AEC 標(biāo)準(zhǔn)鑒定，不過 Power Integrations 推出的類似產(chǎn)品 SID11x2KQ MOSFET/IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器系列通過了 AEC-100 標(biāo)準(zhǔn) 1 級鑒定。例如，SID1182KQ-TL是一款 8 A/1200 V 單通道 IGBT/MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器。

SIC1182K 采用 16 引腳 eSOP-R16B 封裝（9 mm x 10 mm x 2.5 mm），具有 9.5 mm 的爬電距離和間隙（符合監(jiān)管規(guī)定），以及亦可作為散熱路徑的有效初級側(cè)接地連接（圖 9）。隔離采用該公司專有的固體絕緣 FluxLink 技術(shù)，而該驅(qū)動(dòng)器已獲得 VDE 0884-10 認(rèn)證和 UL 1577 認(rèn)證（申請中）。

圖 9：Power Integrations 的 SIC1182K 隔離式 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器引腳 3、4、5 和 6 的合并連接，可提供導(dǎo)熱路徑以及有效的初級側(cè)接地連接。（圖片來源：Power Integrations）

SIC1182K 可通過同一個(gè)檢測引腳實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通階段的短路保護(hù)，以及關(guān)斷時(shí)的過壓限制（通過高級有源鉗位）。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器必須連接初級/次級側(cè)電源和接地、邏輯控制和驅(qū)動(dòng)輸出。如需實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力，也提供其他連接（圖 10），其中包括：邏輯故障信號（開漏）、輸入檢測（導(dǎo)通短路檢測和關(guān)斷過壓限制）、自舉和電荷泵電壓源，以及次級側(cè)基準(zhǔn)電位。

圖 10：SIC1182K 隔離式 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器增加的引腳可以在實(shí)際電路中增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，多用于解決故障和不良問題。（圖片來源：Power Integrations）

總結(jié)

可行的 EV 應(yīng)用必須具備高端電池和高性能電源管理，而兩者均可由 SiC MOSFET 等先進(jìn)的功率開關(guān)器件提供。如上所述，第 2代和第 3代器件的多個(gè)性能參數(shù)在導(dǎo)通電阻、損耗、開關(guān)性能和熱性能等方面均優(yōu)于現(xiàn)有 Si 器件。

然而，為了充分發(fā)揮這些高性能 SiC 器件的潛力，設(shè)計(jì)人員還必須選擇符合應(yīng)用需求的柵極驅(qū)動(dòng)器。