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电动汽车中的SiC开关将会主导动力传动系统吗?

时间:2019-08-12 作者:Anup Bhala博士,UnitedSic工程副总裁 阅读:
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。其承诺的更高效率和更快转换速率将节省成本、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大量取代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选择。
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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。其承诺的更高效率和更快转换速率将节省成本、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大量取代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选择。wz3EETC-电子工程专辑

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到1%,但据预测,到2050年,美国65%~75%的轻型汽车又将通过电力驱动。wz3EETC-电子工程专辑

自1997年丰田普锐斯在日本推出以来,现代电动汽车(EV)已经大幅改进。现在,先进的电池和电机技术可以提供300英里甚至更多续航里程。然而,对2050年电动汽车用量的预测还依赖于某些假设: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更快充电的更先进技术。wz3EETC-电子工程专辑

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。电气工程师可能会翻翻白眼说现代内燃机才正在努力达到21%呢!但是凭借其新的半导体开关用于动力传动系统,至少EV具备获取更高性能的可能蓝图。wz3EETC-电子工程专辑

获取更多里程的关键是功率转换的效率。这不仅仅体现在由电机驱动的电子设备中,很多辅助功能例如照明、空调甚至信息娱乐系统也使用了大量能源。人们已经付出了很多努力通过各种措施减少这些区域的能耗,例如使用LED灯。各种电源转换器需要将主电池电压从400V降到12V或24V以用于这些辅助功能,目前这些转换器采用了最新的拓扑结构和特殊的半导体器件以实现最佳效率,同时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)。wz3EETC-电子工程专辑

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图1:电动汽车的动力转换部件(图片来源:美国能源部)wz3EETC-电子工程专辑

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,因此设计师不得不秉持“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,这意味着使用IGBT开关已证实了其30多年的鲁棒性。例如,在特斯拉model S的高科技外观背后是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80年代的工业过程控制器中也非常普遍。较新的型号才刚刚开始出现,这就是SiC FET。wz3EETC-电子工程专辑

宽带隙半导体正成为电机控制的有力竞争者

在许多现代应用中,IGBT已经被更新的技术所取代,例如硅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最大的优势是更快的切换速率,这就意味着更小的外部组件,像磁性元件和电容器。这种组合提供了更高的效率、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200℃,峰值温度允许超过600℃(取决于具体器件)。wz3EETC-电子工程专辑

SiC FET入门及其优势解析

WBG器件的一种特定类型是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,没有偏压并且支持纳秒级切换。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)。该器件由于采用垂直结构,具有极低的内部电容,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,并且不需要使用外部SiC肖特基二极管。wz3EETC-电子工程专辑

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图2:SiC FET(共源共栅)RDSA - 芯片面积归一化导通电阻比较wz3EETC-电子工程专辑

应用于电动汽车驱动的SiC FET

那么,既然要推动更高性能的解决方案,这些优异的器件为什么还没有进军EV电机控制市场呢?除了汽车系统设计师的自然保守之外,还有一些实际的原因:与具有相似级别的IGBT相比,WBG器件被认为比较昂贵;电动机电感不会像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那么有吸引力;高开关速度意味着高dV/dt速率,这可能会对电机绕组的绝缘造成压力。此外,当电机驱动处于恶劣条件或一般高温环境下时,WBG器件具有潜在的短路问题和反电动势(EMF)等,也使得其可靠性不免令人怀疑。wz3EETC-电子工程专辑

WBG器件真正的诱惑是提高效率的可能性。这意味着更多的可用能量和更远的里程。散热器可以更小,这样可以降低成本和重量,同时也有助于扩大里程。与具有“拐点”电压的IGBT相比,WBG器件在典型操作条件下效率尤其得到改善,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,我们将使用两个1cmX1cm IGBT芯片的200A、1200V IGBT模块与使用两个0.6 X 0.6cm SiC堆叠共源共栅芯片的 200A、1200V SiC FET模块进行比较。wz3EETC-电子工程专辑

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图3:面积仅是IGBT芯片36%的1200V SiC FET的传导损耗。该200A、1200V模块中,对于室温和高温下所有低于200A的电流,SiC FET的导通压降都远低于IGBT压降。wz3EETC-电子工程专辑

SiC FET具有的独特性能使它能够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。即便其成本高也不应成为未来担忧的问题,例如,SiC FET的芯片比同等级别的IGBT或SiC MOSFET小很多,这意味着每片晶圆的产能更高,如果再考虑用更小的散热器和过滤器以节省成本,那这一切看起来都极具经济和实用意义。wz3EETC-电子工程专辑

SiC FET可靠性已被验证

现在剩下的就是对可靠性的担忧了,对于某些WBG设备来说的确有此问题。例如,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,其宽裕量达至绝对最大值。wz3EETC-电子工程专辑

短路额定值可能是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器件的垂直沟道中存在一种自然的“夹断”机制,它可以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之前应经受5μs的考验。来自UnitedSiC的650 V SiC FET测试显示,使用400 V DC总线至少可承受8μs短路考验(图4),在100次短路事件和高温之后,导通电阻或栅极阈值无降级。wz3EETC-电子工程专辑

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图4:SiC FET的短路性能wz3EETC-电子工程专辑

电机驱动应用中的另一个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150°的环境中经过1000小时的雪崩测试,SiC FET部件均无故障发生,100%通过雪崩耐受力生产测试。wz3EETC-电子工程专辑

令人信服的案例

现代宽带隙器件,例如来自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。因此,SiC(碳化硅)将极可能成为未来十年动力传动系统的主导者。wz3EETC-电子工程专辑

本文同步刊登于电子工程专辑杂志2019年8月刊wz3EETC-电子工程专辑

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