最新一代SiC FET会主导电动汽车动力传动系统吗?

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宽带隙(WBG)半导体正被应用于包括电动汽车在内的各类功率转换器中。其承诺的更高强度和调慢转换强度将节省成本、尺寸和能源,它通常被运用在充电器和辅助转换器中,但尚未在牵引逆变器中少量取代IGBT。本文将介绍最新一代SiC FET,因其提供低于IGBT的损耗以及在高温和多重应力下被证实的短路鲁棒性,而成为新型逆变器设计的绝佳挑选。

宽带隙(WBG)半导体正被应用于包括电动汽车在内的各类功率转换器中。其承诺的更高强度和调慢转换强度将节省成本、尺寸和能源,它通常被运用在充电器和辅助转换器中,但尚未在牵引逆变器中少量取代IGBT。本文将介绍最新一代SiC FET,因其提供低于IGBT的损耗以及在高温和多重应力下被证实的短路鲁棒性,而成为新型逆变器设计的绝佳挑选。

1900年美国38%的汽车是电动汽车

是的,你没看错,这是真的……在1900年的所有美国汽车中,38%(33,842)由电力驱动,40%用蒸汽驱动,22%用汽油驱动。然而,当亨利福特大规模生产廉价的汽油动力汽车后,电动汽车的百分比急剧下降。如今,道路上的电动汽车不都都可不能不能 1%,但据预测,到201000年,美国65%——75%的轻型汽车又将通过电力驱动。

自1997年丰田普锐斯在日本推出以来,现代电动汽车(EV)但会 大幅改进。现在,先进的电池和电机技术还不都都可不能不能 提供1000英里甚至更多续航里程。然而,对201000年电动汽车用量的预测还依赖于其他假设:购买力、持续高涨的油价、更严格的健康与环境法规以及实现更多里程和调慢充电的更先进技术。

拥有从电池能量到车轮动力59%-62%的转换率,看起来EV还有改进的空间。电气工程师但会 会翻翻白眼说现代内燃机才正在努力达到21%呢!但会 凭借其新的半导体开关用于动力传动系统,离米 EV具备获取更高性能的但会 蓝图。

获取更多里程的关键是功率转换的强度。这不仅仅体现在由电机驱动的电子设备中,什么都有 辅助功能同类于照明、空调甚至信息娱乐系统也使用了少量能源。亲戚其他人但会 付出了什么都有 努力通过各种法子减少哪些区域的能耗,同类于使用LED灯。各种电源转换器不都都可不能不能 将主电池电压从1000V降到12V或24V以用于哪些辅助功能,目前哪些转换器采用了最新的拓扑社会形态和特殊的半导体器件以实现最佳强度,同去承担了非安全攸关应用可接受的新技术固有风险(如图1所示)。

图1:电动汽车的动力转换部件(图片来源:美国能源部)

对于动力传动系统,由电机控制的电子设备被认为是生命攸关的,但会 设计师不得不秉持“安全第一”的原则,并坚持使用经过反复验证的技术。在实践中,这导致 使用IGBT开关已证实了其1000多年的鲁棒性。同类于,在特斯拉model S的高科技外观转过身是TO-247封装里的66个IGBT在控制牵引电机。而相同的IGBT在20世纪1000年代的工业过程控制器中也非常普遍。较新的型号才并且并且刚始于老出,这什么都有 SiC FET。

宽带隙半导体正成为电机控制的有力竞争者

在其他现代应用中,IGBT但会 被更新的技术所取代,同类于硅MOSFET和现在采用碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)材料制造的宽带隙(WBG)半导体。WBG最大的优势是调慢的切换强度,这并且导致 更小的结构组件,像磁性元件和电容器。你这种 组合提供了更高的强度、更小的尺寸与重量,从而降低了总体成本。WBG器件还可在高温下工作,对于SiC而言通常为1000℃,峰值温度允许超过10000℃(取决于具体器件)。

SiC FET入门及其优势解析

WBG器件的五种特定类型是SiC FET,即SiC JFET和Si MOSFET的复合体或“共源共栅”体,其通常设置为OFF,没办法 偏压但会 支持纳秒级切换。与SiC MOSFET和GaN器件相比,它非常易于驱动,其优良指数RDSA与芯片面积的归一化导通电阻非常出色(如图2所示)。该器件但会 采用垂直社会形态,具有极低的结构电容,使得开关转换损耗极低。SiC FET具有非常快的体二极管,可减少电机驱动等应用中的损耗,但会 不都都可不能不能 使用结构SiC肖特基二极管。

图2:SiC FET(共源共栅)RDSA - 芯片面积归一化导通电阻比较

应用于电动汽车驱动的SiC FET

没办法 ,既然要推动更高性能的补救方案,哪些优异的器件为哪些还没办法 进军EV电机控制市场呢?除了汽车系统设计师的自然保守之外,还有其他实际的导致 :与具有同类于级别的IGBT相比,WBG器件被认为比较昂贵;电动机电感后会像DC-DC转换器那样按比例缩小,从而使更高的开关频率变得没没办法 有吸引力;高开关强度导致 高dV/dt强度,这但会 会对电机绕组的绝缘造成压力。此外,当电机驱动占据 恶劣条件或一般高温环境下时,WBG器件具有潜在的短路问提和反电动势(EMF)等,也使得其可靠性不免令人怀疑。

WBG器件真正的诱惑是提高强度的但会 性。这导致 更多的可用能量和更远的里程。散热器还不都都可不能不能 更小,什么都有 还不都都可不能不能 降低成本和重量,同去全部都是 促进扩大里程。与具有“拐点”电压的IGBT相比,WBG器件在典型操作条件下强度尤其得到改善,从而有效实现了所有驱动条件下的最小功耗。如下图3所示,亲戚其他人将使用什么都有 1cmX1cm IGBT芯片的1000A、11000V IGBT模块与使用什么都有 0.6 X 0.6cm SiC堆叠共源共栅芯片的 1000A、11000V SiC FET模块进行比较。

图3:面积仅是IGBT芯片36%的11000V SiC FET的传导损耗。该1000A、11000V模块中,对于室温和高温下所有低于1000A的电流,SiC FET的导通压降都远低于IGBT压降。

SiC FET具有的独社会形态能使它后会都都可不能不能 在给定模块占位面积内提供最低传导损耗。当然,在全新设计中,WBG电机驱动器的切换频率也高于具有足够EMI控制设计的IGBT,从而体现WBG的所有优势。即便其成本高什么都有 应成为未来担忧的问提,同类于,SiC FET的芯片比同等级别的IGBT或SiC MOSFET小什么都有 ,这导致 每片晶圆的产能更高,但会 再考虑用更小的散热器和过滤器以节省成本,那你这种 切看起来都极具经济和实用意义。

SiC FET可靠性已被验证

现在剩下的什么都有 对可靠性的担忧了,对于其他WBG设备来说的确有此问提。同类于,SiC MOSFET和GaN器件对栅极电压极其敏感,其绝对最大值非常接近推荐的工作条件极限值。但SiC FET则容许较宽范围的栅极电压,其富有量达至绝对最大值。

短路额定值但会 是EV电机驱动器的关注点,它以IGBT的鲁棒性作为基准。当然,GaN器件在这方面表现不佳,而SiC FET则成绩优异。与SiC MOSFET或IGBT不同,内置JFET器件的垂直沟道中占据 五种自然的“夹断”机制,它还不都都可不能不能 限制电流并使短路栅极驱动电压相对独立。SiC JFET允许的高峰值温度也延长了短路持续时间。在汽车应用中,一般期望短路在保护机制启动并且应经受5μs的考验。来自UnitedSiC的61000 V SiC FET测试显示,使用1000 V DC总线离米 可承受8μs短路考验(图4),在1000次短路事件和高温并且,导通电阻或栅极阈值无降级。

图4:SiC FET的短路性能

电机驱动应用中的什么都有 应力是来自电机的反电动势。同样,GaN表现不佳再次失分,但SiC FET则具有非常好的雪崩耐量,其内置JFET导通以在其栅极漏极结断开时钳位电压。 UnitedSiC进行的更多测试表明,在1000°的环境中经过10000小时的雪崩测试,SiC FET部件均无故障占据 ,1000%通过雪崩耐受力生产测试。

令人信服的案例

现代宽带隙器件,同类于来自UnitedSiC的SiC FET,是下一代EV电机驱动器的实力竞争者,可满足在苛刻环境中提供更出色的性能、整体成本节约以及经过经验证的鲁棒操作性。但会 ,SiC(碳化硅)将极但会 成为未来十年动力传动系统的主导者。

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