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2019-05-31 來(lái)源：寬禁帶半導體技術(shù)創(chuàng )新聯(lián)盟
汽車(chē)制造商越來(lái)越多地開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)（EV），但他們的短距離駕駛范圍仍然存在問(wèn)題。雖然空氣動(dòng)力學(xué)設計，更輕的材料和更高效的電力使用確實(shí)有幫助，但這還不夠。汽車(chē)電力電子設計人員需要使用先進(jìn)的寬帶隙半導體（WBG）材料來(lái)滿(mǎn)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(chǎng)效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等現有半導體技術(shù)的改進(jìn)。更低的損耗，更高的開(kāi)關(guān)頻率，更高的工作溫度，惡劣環(huán)境下的堅固性以及高擊穿電壓。它們特別有用，因為該行業(yè)正朝著(zhù)更高容量的電池發(fā)展，這些電池在高電壓下工作，充電時(shí)間更短，總體損耗更低。
WBG半導體的優(yōu)勢
通過(guò)回顧，帶隙是將電子從材料的價(jià)帶激發(fā)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(jià)帶之間的帶隙比SiC和GaN窄，因此后兩者的名稱(chēng)為“寬帶隙半導體”。（圖片來(lái)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(kāi)關(guān)和傳導損耗更低。WB的材料具有比Si大約十倍的導通和開(kāi)關(guān)特性。這些能力使WBG技術(shù)成為電力電子產(chǎn)品的天然尺寸，尤其適用于電動(dòng)汽車(chē)，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(yōu)勢必須與制造復雜性和大批量生產(chǎn)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(shí)現整體系統成本節省。例如，在EV中使用SiC器件可能會(huì )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(jiǎn)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(dòng)機，是可以受益于WBG部件的關(guān)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(dòng)EV的電機，然后將再生制動(dòng)產(chǎn)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(dòng)電動(dòng)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(kāi)關(guān)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(lèi)型，將Si IGBT與Si快速恢復二極管（FRD）相結合，這是汽車(chē)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)元件，其開(kāi)關(guān)速度（導通時(shí)間，關(guān)斷時(shí)間）是影響效率（損耗）的關(guān)鍵參數之一。對于IGBT，在開(kāi)關(guān)性能的代價(jià)下實(shí)現了高擊穿電壓下的低電阻; 在器件關(guān)斷期間存在“耗散時(shí)間”，這會(huì )增加開(kāi)關(guān)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(shí)現更高的效率，因為它們具有更短的關(guān)斷時(shí)間和更高的工作頻率。然而，Si MOSFET也存在問(wèn)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(kāi)關(guān)的四個(gè)理想特性：
l 高壓
l 阻力低
l 切換速度快
l 低開(kāi)關(guān)損耗（特別是關(guān)斷損耗）
更寬的帶隙還意味著(zhù)SiC器件通?？梢栽?/font>150°C至175°C的溫度范圍內工作，并且在正確封裝時(shí)，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(yōu)勢在寬電流和工作溫度范圍內不會(huì )發(fā)生顯著(zhù)變化。SiC部件的介電擊穿場(chǎng)也比硅高出十倍。因此，目前正在大規模生產(chǎn)額定電壓為1200伏的SiC產(chǎn)品，因此成本相應下降。此外，額定電壓為1700伏的產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)中。
SiC二極管也不會(huì )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(kāi)關(guān)損耗比Si快恢復二極管低90％，其中結溫會(huì )影響恢復電流和恢復時(shí)間。結果，與Si二極管相比，SiC二極管產(chǎn)生相當低的品質(zhì)因數（FoM）（Qc×Vf）。較低的FOM意味著(zhù)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(diǎn)。其中一個(gè)是正熱系數，意味著(zhù)溫度越高，正向電壓（Vf）越高。如果通過(guò)二極管的電流增加，則正向壓降也會(huì )增加。當向二極管施加較高電流時(shí)，這種傳導損耗會(huì )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(kāi)關(guān)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(kāi)發(fā)了BSM300D12P2E001半橋SiC功率模塊，將SiC MOSFET與SiC SBD集成在一個(gè)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(kāi)關(guān)損耗（圖2）。
圖2：IGBT模塊相比，集成SiC MOSFET和SBD的全SiC功率模塊可實(shí)現更低的損耗，即使在高速開(kāi)關(guān)操作期間也是如此。（圖片來(lái)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(chǎn)符合AEC-Q101標準的汽車(chē)級 SiC肖特基勢壘二極管，具有恢復時(shí)間短，高速開(kāi)關(guān)能力，低溫度依賴(lài)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(gè)）。
SiC器件在電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)制造商，在特斯拉3型轎車(chē)中也是如此。特斯拉以前的車(chē)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(jìn)行散熱。
用于EV的充電裝置在工廠(chǎng)安裝，稱(chēng)為“車(chē)載充電器”（OBC）。在EV或插電式混合動(dòng)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(lián)。（圖片來(lái)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?？焖俪潆姇r(shí)間，同時(shí)滿(mǎn)足EV制造商有限的空間和重量要求。使用GaN技術(shù)的OBC設計可以簡(jiǎn)化EV冷卻系統并減少充電時(shí)間和功率損耗。商用GaN功率器件在汽車(chē)市場(chǎng)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(kāi)關(guān)損耗，更快的開(kāi)關(guān)速度，更高的功率密度，并可實(shí)現整體系統尺寸，重量和成本降低。
例如，Transphorm的TP65H035WSQA是符合汽車(chē)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(chǎn)品49mΩGenII TPH3205WSBQA一樣，該器件適用于插入式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和電池電動(dòng)汽車(chē)的AC / DC OBC，DC / DC轉換器和DC / AC逆變器系統，可實(shí)現交流/直流無(wú)橋圖騰柱PFC設計。
Transphorm TPH3205WSBQA 650伏，49mΩGaiFET
圖4：Transphorm TPH3205WSBQA 650伏，49mΩGaNFET符合汽車(chē)標準，已通過(guò)汽車(chē)級分立半導體的AEC-Q101壓力測試。（圖片來(lái)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(shí)現盡可能低的開(kāi)關(guān)損耗。在這種操作水平下，即使布局也會(huì )成為性能的重要因素。推薦的布局保持最小的柵極驅動(dòng)環(huán)路，并保持開(kāi)關(guān)節點(diǎn)之間的走線(xiàn)非常短，最短的實(shí)際返回走線(xiàn)到電源總線(xiàn)和地。電源接地平面提供了大的橫截面積，以在整個(gè)電路中實(shí)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(kāi)，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(chē)肖特基二極管的一部分，也是混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)中OBC應用的開(kāi)發(fā)，是該公司IGBT和CoolMOS產(chǎn)品系列的補充，可滿(mǎn)足650伏級汽車(chē)應用的要求。
得益于新的鈍化層概念，這是市場(chǎng)上最耐用的汽車(chē)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(shù)，因此它也展示了同類(lèi)產(chǎn)品中最好的FOM之一，這意味著(zhù)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(chē)肖特基二極管可在所有負載條件下將OBC的效率提高一個(gè)百分點(diǎn)。
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(gè)潛在問(wèn)題是它們的驅動(dòng)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(chēng)軌道（例如±5伏）的驅動(dòng)要求，但SiC器件需要較小的負電壓以確保它們完全關(guān)閉，因此它們需要不對稱(chēng)的軌道（例如-1伏至-20）伏）。
此外，雖然SiC具有優(yōu)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(lái)容納，例如芯片鍵合和引線(xiàn)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(huì )變得太大，從而阻止了基于SiC的器件實(shí)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(lèi)似于多層印刷電路板的封裝中嵌入芯片，以低成本實(shí)現了所需的性能，同時(shí)還消除了導致其自身器件可靠性問(wèn)題的引線(xiàn)鍵合。
作為控制器和功率器件之間接口的關(guān)鍵元件是柵極驅動(dòng)器。對于采用新器件的電子設計人員來(lái)說(shuō)，柵極驅動(dòng)設計始終是一個(gè)問(wèn)題，因此了解如何驅動(dòng)SiC和GaN功率器件非常重要。要求是：
l 高電源電壓，通過(guò)低傳導損耗實(shí)現高效率
l 高驅動(dòng)強度，實(shí)現低開(kāi)關(guān)損耗
l 快速短路保護
l 較小的傳播延遲和變化，實(shí)現高效率和快速系統控制
l 高dv / dt免疫力
一些早期的GaN器件需要特殊的驅動(dòng)器來(lái)防止柵極過(guò)壓?，F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(guò)許多標準MOSFET驅動(dòng)器驅動(dòng)。GaN FET是橫向器件，因此需要相對低的最佳驅動(dòng)電壓。因此，總體而言，GaN器件對Si MOSFET和IGBT具有類(lèi)似的柵極驅動(dòng)要求。要求包括：
l 較小的柵極電荷 - 較低的驅動(dòng)損耗，較快的上升和下降時(shí)間
l 降低柵極電壓
l 負電壓可提高柵極驅動(dòng)的穩健性
l 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(mǎn)足逆變器和車(chē)載充電器等EV系統的效率和功率密度要求，汽車(chē)電力電子設計人員現在能夠利用更先進(jìn)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(kāi)關(guān)頻率，更高的工作溫度，惡劣環(huán)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(cháng)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(jìn)行選擇以適應他們的設計目標：使用相同的開(kāi)關(guān)頻率并增加輸出功率; 使用相同的開(kāi)關(guān)頻率，減少系統所需的散熱量，節省總成本; 或者增加開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)中相同的功率損耗。
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