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SiC器件助力汽车和服务器电源发生重大改变

时间:2020-03-18 作者:Chris Dries,UnitedSiC公司总裁兼CEO  阅读:
未来十年,人们对汽车电源和服务器电源的思考方式将发生变化。iPhone于2007年问世,这仅发生在12年前,而现在已没人能够想象生活中没有这台设备了。整个汽车行业在未来十年将发生相同的事情—人们将无法想象还开着燃油车的样子,而会看到向电动汽车和自动驾驶的重大转变。
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无论是在充电基础设施DC-DC转换器,还是牵引逆变器中,碳化硅(SiC)将在这场变革中扮演核心角色。这也是UnitedSiC公司在7mΩ和9mΩ器件上投入研发的原因。MSIEETC-电子工程专辑

SiC技术的主要市场

UnitedSiC看好并专注于四个主要市场:汽车市场,我们可提供车载充电器、DC-DC转换器和牵引逆变器相关产品;工业市场,可提供电机驱动器、工业电池充电、快速充电系统;服务器电源市场,有功率因数校正和DC-DC转换设计;可再生能源市场,特别是提供太阳能逆变器。MSIEETC-电子工程专辑

还有一个有机会的市场,就是电路保护领域。我们的JFET技术在固态功率控制器和电路保护中也有非常大的用武之地。MSIEETC-电子工程专辑

共源共栅技术兼得SiC JFET和Si MOSFET的优势

功率器件设计最重要的是要做到易于使用。为此,不同于竞争对手,UnitedSiC采用共源共栅(cascode)技术,将SiC JFET与Si MOSFET集成在了一个封装中。MSIEETC-电子工程专辑

共源共栅技术的优点很多。首先,将低压硅MOSFET用作栅极接口,可以使用非常简单、标准的硅栅极驱动器。这样,用户就能够轻松替代硅超级结FET,而无需改变其电路。其次,其体二极管性能远优于SiC MOSFET,因为其中的高性能低压Si MOSFET具有非常低的反向恢复电荷(Qrr),并且其随温度的增加也很缓慢。再次,其阈值电压非常高,并且能够保证短路额定值。最后但最重要的是,其中的SiC JFET可同时提供高电压阻断能力和低导通电阻,这使我们可以以接近硅器件的价格提供650V碳化硅FET。MSIEETC-电子工程专辑

总而言之,用户可以兼得这两种材料系统的优势:从SiC JFET获得快速开关、高阻断能力和低RDS(on)性能;从硅MOSFET获得易用性和卓越的体二极管性能。MSIEETC-电子工程专辑

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Chris Dries,UnitedSiC公司总裁兼CEO MSIEETC-电子工程专辑

超低RDS(on)功率器件为汽车和服务器电源带来变革

SiC功率器件实现低RDS(on)或传导损耗,对电动汽车的牵引逆变器特别重要。例如,特斯拉Model 3中就采用了ST的SiC器件。预计到2020年下半年,首批采用UnitedSiC的9mΩ、1200V FET的电动汽车将在北京上路。MSIEETC-电子工程专辑

这得益于我们裸片尺寸的优势—针对1200V应用,我们的裸片尺寸大约是竞争对手的一半;针对650V应用,我们的裸片尺寸几乎比竞争对手小四倍。与竞争对手相比,我们能以任何给定封装提供具有超低RDS(on)的器件。MSIEETC-电子工程专辑

以任何封装形式提供具有超低RDS(on)器件的能力,不仅为汽车电源,还为服务器电源带来了变革。我们可以以非常小的表面贴装DFN 8mmx8mm封装提供30mΩ的碳化硅FET,而使服务器电源无需使用散热器,只需使用空气冷却即可。并且其易于组装,传导损耗低,可以实现3kW设计。事实上,这与650V GaN相比,具有极强的竞争优势。MSIEETC-电子工程专辑

但是,每种材料都有自己的用武之地。对于大多数市场而言,技术的使用取决于电压等级。显然,低压或中压应用将由硅主导。对于高性能的低压应用,GaN将扮演非常重要的角色。然而,一旦达到650V,硅和SiC将会并存—低成本设计使用硅,高性能设计使用SiC。针对650V应用,SiC与GaN的对比表明SiC更优,这与我们许多竞争对手所说的相反。而900V及以上的应用,则是SiC的主场。MSIEETC-电子工程专辑

另外,也有公司表示希望将SiC器件集成到手机充电器适配器中。使用SiC JFET可以为反激式电源适配器制造商提供更多功能。JFET器件的常通特性有助于控制器IC电路的快速启动,并为cascode形成高压开关,而其中的低压MOSFET可与控制器IC集成在一起,成为非常高频率、高效且具更高成本竞争力的GaN的替代品。MSIEETC-电子工程专辑

还有一点也很重要,就是硅的RDS(on)与SiC的RDS(on)非常不同。大多数厂商在数据手册上标注的是室温条件下的RDS(on),但是显然大多数人在使用这些器件时,温度是在100℃或125℃。我们发现,可以使用40mΩ SiC FET代替33mΩ硅FET—即使在工作温度较高时,RDS(on)也是相同的,并且开关性能卓越。MSIEETC-电子工程专辑

我们一直在创新和开发新器件,针对特定的额定电流进一步缩小裸片尺寸。过去很多用于缩小硅芯片尺寸的技术有待在SiC中实现,因此,我们的产品平台在未来十年的发展方向也很清晰。另外,封装技术的创新也很重要。随着我们裸片尺寸的缩小,散热会变得越来越难。在这方面,先进的封装技术就起到重要作用。另外,对于非常高频率的开关,集成式栅极驱动器和控制器IC是帮助减轻EMI问题的绝佳方法。MSIEETC-电子工程专辑

我们的目标是加速SiC技术的采用并发挥其更高效率和更高功率密度所带来的优势。我们通过独特的SiC技术来实现这一目标,并期待在几乎所有600V左右的电源转换应用中,我们的SiC器件和技术在未来数十年中发挥关键作用。MSIEETC-电子工程专辑

责编:Yvonne GengMSIEETC-电子工程专辑

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