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  • 4代SiC MOSFET在電動汽車電控系統中的應用及其優勢

     引言

    近年來,為了實現“碳中和”等減輕環境負荷的目標,需要進一步普及下一代電動汽車(xEV),從而推動了更高效、更小型、更輕量的電動系統的開發。尤其是在電動汽車(EV)領域,為了延長續航里程并減小車載電池的尺寸,提高發揮驅動核心作用的電控系統的效率已成為一個重要課題。SiC(碳化硅)作為新一代寬禁帶半導體材料,具備高電壓、大電流、高溫、高頻率和低損耗等獨特優勢。因此,業內對碳化硅功率元器件在電動汽車上的應用寄予厚望。

    羅姆第4代SiC MOSFET應用于“三合一”電橋

    近日,上汽大眾與臻驅科技聯合開發的首款基于SiC技術的 “三合一”電橋完成試制。據悉,對比現有電橋產品,這款SiC“三合一”電橋在能耗表現方面非常搶眼,每百公里可節約0.645kW·h電能。以上汽大眾在ID 4X車型上的測試結果為例,對比傳統的IGBT方案,整車續航里程提升了4.5%。由此可知,SiC電橋方案的優勢非常明顯。但作為一種新技術,SiC電控系統還存在一些開發難點,比如SiC模塊的本體設計,以及高速開關帶來的系統EMC應對難題。值得一提的是,臻驅科技此次完成試制的“三合一”電橋采用的是羅姆第4代SiC MOSFET裸芯片,充分發揮了碳化硅器件的性能優勢。

    羅姆于2020年完成開發的第4代SiC MOSFET,是在不犧牲短路耐受時間的情況下實現業內超低導通電阻的產品。該產品用于車載主驅逆變器時,效率更高,與使用IGBT時相比,效率顯著提升,因此非常有助于延長電動汽車的續航里程,并減少電池使用量,降低電動汽車的成本。

    羅姆第4代SiC MOSFET的獨特優勢

       羅姆作為碳化硅領域的深耕者,從2000年就開始了相關的研發工作,并在2009年收購碳化硅襯底供應商SiCrystal后,于2010年率先推出了商用碳化硅MOSFET,目前產品涵蓋SiC SBD、SiC MOSFET和全SiC模組,其中SiC SBD、SiC MOSFET可以裸芯片的形式供貨。羅姆在2015年發布了第3代也是第一款商用溝槽結構的SiC MOSFET產品,支持18V驅動。2020年,羅姆又推出了第4代SiC MOSFET。目前,不僅可供應裸芯片,還可供應分立封裝的產品。分立封裝的產品已經完成了面向消費電子設備和工業設備應用的產品線開發,后續將逐步開發適用于車載應用的產品。

    對比羅姆的第3代SiC MOSFET產品,第4代SiC MOSFET具有導通電阻更低的特點。根據測試結果顯示,在芯片尺寸相同且在不犧牲短路耐受時間的前提下,羅姆采用改進的雙溝槽結構,使得MOSFET的導通電阻降低了約40%,傳導損耗相應降低。此外,從RDS(on)與VGS的關系圖中,我們可以發現第4代SiC MOSFET在柵極電壓處于+15V和+18V之間時具有更平坦的梯度,這意味著第4代SiC MOSFET的驅動電壓范圍可拓展至15V-18V。

    同時,第4代SiC MOSFET還改善了開關性能。通常,為了滿足更大電流和更低導通電阻的需求,MOSFET存在芯片面積增大、寄生電容增加的趨勢,因而存在無法充分發揮碳化硅原有的高速開關特性的課題。第4代SiC MOSFET,通過大幅降低柵漏電容(Cgd),成功地使開關損耗比以往產品降低約50%。

    此外,羅姆還對第4代SiC MOSFET進行了電容比的優化,大大提高了柵極和漏極之間的電容(CGD)與柵極和源極之間的電容(CGS)之比,從而減少了寄生電容的影響。比如,可以減小在半橋中一個快速開關的SiC MOSFET施加在另一個SiC MOSFET上的高速電壓瞬變(dVDS/dt)對柵源電壓VGS的影響。這將降低由正VGS尖峰引起的SiC MOSFET意外寄生導通的可能性,以及可能損壞SiC MOSFET的負VGS尖峰出現的可能性。



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