汽車制造商越來越多地開發電動汽車(EV),但他們的短距離駕駛范圍仍然存在問題。雖然空氣動力學設計,更輕的材料和更高效的電力使用確實有幫助,但這還不夠。汽車電力電子設計人員需要使用先進的寬帶隙半導體(WBG)材料來滿足效率和功率密度要求。
這些材料主要由氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)組成,是對硅(Si)金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等現有半導體技術的改進。更低的損耗,更高的開關頻率,更高的工作溫度,惡劣環境下的堅固性以及高擊穿電壓。它們特別有用,因為該行業正朝著更高容量的電池發展,這些電池在高電壓下工作,充電時間更短,總體損耗更低。
本文將簡要概述WBG技術及其在汽車EV電子領域的作用。然后,它將從ROHM Semiconductor,STMicroelectronics,Transphorm和Infineon Technologies推出合適的GaN和SiC解決方案,并為其應用提供指導。
WBG半導體的優勢
通過回顧,帶隙是將電子從材料的價帶激發到導帶所需的能量,WBG材料的帶隙明顯大于硅的帶隙(圖1)。而Si的帶隙為1.1電子伏特(eV);SiC具有3.3eV的帶隙,GaN具有3.4eV的帶隙。
圖1:Si半導體在導帶和價帶之間的帶隙比SiC和GaN窄,因此后兩者的名稱為“寬帶隙半導體”。(圖片來源:STMicroelectronics)
WBG半導體允許器件在比傳統硅更高的電壓,頻率和溫度下工作。更重要的是,開關和傳導損耗更低。WB的材料具有比Si大約十倍的導通和開關特性。這些能力使WBG技術成為電力電子產品的天然尺寸,尤其適用于電動汽車,因為SiC和GaN元件可以做得更小,操作更快,效率更高。
WBG設備的優勢必須與制造復雜性和大批量生產的更高成本相平衡。雖然WBG組件最初可能更昂貴,但其成本繼續下降,并且一般而言,它們將實現整體系統成本節省。例如,在EV中使用SiC器件可能會增加數百美元的額外前期成本,但由于電池成本降低,空間需求降低以及更小的散熱器或對流冷卻等更簡單的冷卻措施,可以節省總體成本。
SiC用于主逆變器
牽引逆變器控制EV中的牽引電動機,是可以受益于WBG部件的關鍵EV系統的示例。逆變器的核心功能是將直流電壓轉換為三相交流波形,以驅動EV的電機,然后將再生制動產生的交流電壓轉換回直流電壓,為電池充電。由于逆變器將存儲在電池組中的能量轉換為AC以驅動電動機,因此能量轉換中的損失越低,系統越有效。與硅相比,SiC器件的增強的導電性和更快的開關頻率降低了功率損耗,因為作為熱量損失的能量更少。最終,基于SiC的逆變器的更高效率將顯示為更高的EV里程。
處理大電流的電源模塊通常是IGBT類型,將Si IGBT與Si快速恢復二極管(FRD)相結合,這是汽車逆變器模塊中常用的配置。然而,與Si IGBT現有器件相比,SiC提供更高的工作溫度和更高的開關速度。這些功能對于牽引逆變器而言是最佳選擇,因為它們需要將大量能量傳輸到電池和從電池傳輸。
原因如下:由于IGBT是開關元件,其開關速度(導通時間,關斷時間)是影響效率(損耗)的關鍵參數之一。對于IGBT,在開關性能的代價下實現了高擊穿電壓下的低電阻;在器件關斷期間存在“耗散時間”,這會增加開關損耗。結果,IGBT具有相對低的效率。如果在逆變器模塊中使用MOSFET代替IGBT,則可以實現更高的效率,因為它們具有更短的關斷時間和更高的工作頻率。然而,Si MOSFET也存在問題;與Si IGBT相比,它們具有較大的“導通”電阻。
利用SiC的有利特性,與IGBT相比,芯片面積幾乎減小一半的SiC MOSFET可以結合電源開關的四個理想特性:
阻力低
切換速度快
低開關損耗(特別是關斷損耗)
更寬的帶隙還意味著SiC器件通常可以在150°C至175°C的溫度范圍內工作,并且在正確封裝時,200°C或更高。
作為SiC肖特基勢壘二極管(SBD),在SiC SBD中,形成與SiC半導體的金屬結以獲得肖特基勢壘。但與硅FRD不同,它們的優勢在寬電流和工作溫度范圍內不會發生顯著變化。SiC部件的介電擊穿場也比硅高出十倍。因此,目前正在大規模生產額定電壓為1200伏的SiC產品,因此成本相應下降。此外,額定電壓為1700伏的產品正在開發中。
SiC二極管也不會顯示正向和反向恢復損耗,只是少量的容量電荷損耗。研究表明,采用SiC SBD的開關損耗比Si快恢復二極管低90%,其中結溫會影響恢復電流和恢復時間。結果,與Si二極管相比,SiC二極管產生相當低的品質因數(FoM)(Qc×Vf)。較低的FOM意味著較低的功率損耗,因此具有更好的電氣性。
碳化硅材料存在一些缺點。其中一個是正熱系數,意味著溫度越高,正向電壓(Vf)越高。如果通過二極管的電流增加,則正向壓降也會增加。當向二極管施加較高電流時,這種傳導損耗會導致熱失控。
然而,SiC MOSFET和SBD結合在一起,使系統設計人員能夠提高效率,降低散熱器的尺寸和成本,提高開關頻率以減小磁性元件的尺寸,并縮小最終設計的成本,尺寸和重量。使用SiC的EV逆變器可以比Si基等效物小5倍,輕3倍,功率損耗低50%。
例如,ROHM Semiconductor開發了BSM300D12P2E001半橋SiC功率模塊,將SiC MOSFET與SiC SBD集成在一個封裝中,最大限度地降低了先前由IGBT尾電流和FRD恢復損耗引起的開關損耗(圖2)。
圖2:與IGBT模塊相比,集成SiC MOSFET和SBD的全SiC功率模塊可實現更低的損耗,即使在高速開關操作期間也是如此。(圖片來源:ROHM Semiconductor)
與IGBT相比,ROHM Semiconductor的SiC基MOSFET具有73%的規定損耗降低。它們的MOSFET系列可以處理高達1700伏的電壓,導通電阻范圍為45毫歐(mΩ)至1150mΩ。它們采用TO-247N,TO-3PFM,TO-268-L和TO-220封裝。
ROHM還生產符合AEC-Q101標準的汽車級SiC肖特基勢壘二極管,具有恢復時間短,高速開關能力,低溫度依賴性,低正向電壓以及在6至20安培電流下可處理高達650伏特的能力(一個)。
SiC器件在電動汽車中的作用
特斯拉是第一家為其主逆變器集成全SiC功率模塊的電動汽車制造商,在特斯拉3型轎車中也是如此。特斯拉以前的車型,S型和X型,采用TO-247封裝的IGBT。與意法半導體合作,特斯拉逆變器由組裝在散熱器上的SiC功率模塊組成。1與STMicroelectronics的SCT10N120一樣,MOSFET的額定電壓為650伏,并使用銅基板進行散熱。
用于EV的充電裝置在工廠安裝,稱為“車載充電器”(OBC)。在EV或插電式混合動力EV(PHEV)中,OBC提供了在家中或從私人或公共充電站中的插座為AC電源充電的方法。OBC使用AC / DC轉換器將50/60赫茲(Hz)交流電壓(100至240伏)轉換為直流電壓,為高壓牽引電池充電(通常約為400伏直流電)。它還根據電池要求調整直流電平,提供電流隔離,并包括交流/直流功率因數校正(PFC)(圖3)。
圖3:在典型的EV OBC中,SiC二極管可用于例如PFC級作為升壓二極管或與圖騰柱拓撲中的N溝道IGBT并聯。(圖片來源:英飛凌科技)
GaN獲得效率的牽引力
OBC的設計要求是具有最高的效率和可靠性,以確保快速充電時間,同時滿足EV制造商有限的空間和重量要求。使用GaN技術的OBC設計可以簡化EV冷卻系統并減少充電時間和功率損耗。商用GaN功率器件在汽車市場份額方面落后于SiC,但它們表現出令人印象深刻的性能并且正在迅速獲得牽引力。與SiC器件一樣,GaN器件具有更低的開關損耗,更快的開關速度,更高的功率密度,并可實現整體系統尺寸,重量和成本降低。
例如,Transphorm的TP65H035WSQA是符合汽車級AEC-Q101標準的GaN FET,在鑒定測試期間的溫度高達175°C(圖4)。該器件采用標準TO-247封裝,典型導通電阻為35mΩ。與其前代產品49mΩGenII TPH3205WSBQA一樣,該器件適用于插入式混合動力電動汽車和電池電動汽車的AC / DC OBC,DC / DC轉換器和DC / AC逆變器系統,可實現交流/直流無橋圖騰柱PFC設計。
圖4:TransphormTPH3205WSBQA 650伏,49mΩGaNFET符合汽車標準,已通過汽車級分立半導體的AEC-Q101壓力測試。(圖片來源:Transphorm)
雖然典型的Si MOSFET具有50伏/納秒(ns)的最大dV / dt額定值,但TP65H035WS GaN FET將以100伏/秒或更高的dV / dt切換,以實現盡可能低的開關損耗。在這種操作水平下,即使布局也會成為性能的重要因素。推薦的布局保持最小的柵極驅動環路,并保持開關節點之間的走線非常短,最短的實際返回走線到電源總線和地。電源接地平面提供了大的橫截面積,以在整個電路中實現均勻的地電位。布局小心地將電源地和IC(小信號)接地分開,僅將它們連接到FET的源極引腳,以避免任何可能的接地回路。
英飛凌的AIDW20S65C5XKSA1是該公司第五代CoolSiC汽車肖特基二極管的一部分,也是混合動力汽車和電動汽車中OBC應用的開發,是該公司IGBT和CoolMOS產品系列的補充,可滿足650伏級汽車應用的要求。
得益于新的鈍化層概念,這是市場上最耐用的汽車設備之一,具有耐濕性和耐腐蝕性。由于它基于110微米(μm)薄晶圓技術,因此它也展示了同類產品中最好的FOM之一,這意味著更低的功率損耗,從而提高電氣性能。
與傳統的Si FRD相比,英飛凌CoolSiC汽車肖特基二極管可在所有負載條件下將OBC的效率提高一個百分點。
使用SiC和GaN器件
除了前面提到的精心布局外,SiC部件的一個潛在問題是它們的驅動要求,這與IGBT器件非常不同。雖然大多數晶體管通常具有使用對稱軌道(例如±5伏)的驅動要求,但SiC器件需要較小的負電壓以確保它們完全關閉,因此它們需要不對稱的軌道(例如-1伏至-20)伏)。
此外,雖然SiC具有優異的熱性能并且與硅相比能夠傳導大量的熱能,但是SiC部件可以使用設計并用于Si的封裝來容納,例如芯片鍵合和引線鍵合。雖然這種封裝方法可以很好地與SiC配合使用,但它僅適用于低頻電路(幾十kHz)。一旦使用高頻,寄生電容和電感就會變得太大,從而阻止了基于SiC的器件實現其全部潛力。
同樣,要充分利用GaN器件,封裝必須具有極低的寄生電感和高熱性能。新的封裝方法,例如在類似于多層印刷電路板的封裝中嵌入芯片,以低成本實現了所需的性能,同時還消除了導致其自身器件可靠性問題的引線鍵合。
作為控制器和功率器件之間接口的關鍵元件是柵極驅動器。對于采用新器件的電子設計人員來說,柵極驅動設計始終是一個問題,因此了解如何驅動SiC和GaN功率器件非常重要。要求是:
高電源電壓,通過低傳導損耗實現高效率
高驅動強度,實現低開關損耗
快速短路保護
較小的傳播延遲和變化,實現高效率和快速系統控制
高dv / dt免疫力
一些早期的GaN器件需要特殊的驅動器來防止柵極過壓。現在可以使用具有寬Vg容差的新一代E-HEMT,只需改變柵極電壓,就可以通過許多標準MOSFET驅動器驅動。GaN FET是橫向器件,因此需要相對低的最佳驅動電壓。因此,總體而言,GaN器件對Si MOSFET和IGBT具有類似的柵極驅動要求。要求包括:
較小的柵極電荷 - 較低的驅動損耗,較快的上升和下降時間
降低柵極電壓
負電壓可提高柵極驅動的穩健性
使用柵極電阻控制壓擺率
好處是許多SiC和GaN解決方案供應商都在包裝內部添加了額外的電子元件,因此它們可以直接替代當前的設計。
結論
為了滿足逆變器和車載充電器等EV系統的效率和功率密度要求,汽車電力電子設計人員現在能夠利用更先進的WBG半導體,如SiC和GaN。與傳統的硅器件相比,它們具有更低的損耗,更高的開關頻率,更高的工作溫度,惡劣環境下的穩健性以及高擊穿電壓。
GaN和SiC可以在更高的溫度下工作,具有相似的預期壽命,或者可以在與具有更長壽命的Si器件相似的溫度下工作。這為設計工程師提供了不同的設計路徑,具體取決于應用要求。
使用WBG材料還允許設計人員從多種策略中進行選擇以適應他們的設計目標:使用相同的開關頻率并增加輸出功率;使用相同的開關頻率,減少系統所需的散熱量,節省總成本;或者增加開關頻率,同時保持開關中相同的功率損耗
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原文標題:使用SiC和GaN功率器件來滿足EV設計要求
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