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电动汽车突破充电速度和续航能力两大瓶颈要靠碳化硅!

2021-09-26 赵明灿 阅读:
未来汽车一定会采用800V电压平台。800V电压平台可以带来重量更轻、体积更小、效率更高的好处,而其中不管是电池的充放电还是电机驱动,都会用到功率器件,尤其是碳化硅。
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平面技术与沟槽技术的比较

采访环节EDN上述平面技术的可靠性问题与沟槽技术的比较也向黄博士进行了请教1wDednc

表示了解Cree公司在十年前就做过沟槽的MOS,而这种技术在很多军工、航天航空要求比较苛刻的领域是还不成熟的。最近也有一个比较大的新闻,另外一家做沟槽MOS的工厂跟客户欣锐科技是有客诉的。这个炸机的情况也是沟槽里设计缺陷造成的。1wDednc

平面技术则在之前很多航空航天、军工使用的案例都证明了没有问题现在特斯拉从2017年开始使用ST碳化硅MOS以后,它的车用器件也是采用平面技术,也没有出现过任何问题。现在沟槽技术比如英飞凌,当然有它的独特之处,在沟槽技术里面有些可靠性的问题是否解决了,目前还是一个未知的状态。1wDednc

至少我们现在了解到的情况,从器件设计大的逻辑上来讲,目前碳化硅做沟槽还没有太大必要因为这里面牵涉到一个器件设计的理论。比如,我们去看很多SGT的设计,SGT最先可能是一个micron的工艺,后来用1.5的工艺,后来用1.35,后来1.18为什么它的功率线框越来越窄就是因为希望在SGT上面把器件元胞尺寸做得越来越小,这样才能使器件的性能变得越好。而这个在硅里面,平面技术一定不会比沟槽上技术更好,因为平面上元胞尺寸是很大的,你很难给它做得很小。这里面牵涉到杂质扩散控制的一些问题1wDednc

我们碳化硅里面有一个现象,就是碳化硅离子注入之后,那个杂质它是不会扩散的它一旦杂质不会扩散的话,你的线框元胞尺寸的宽度是可以很好控制的,比硅芯片更容易控制。这样的话,你可以做出一个元胞非常小的平面结构,而不一定要去做衬底。我们现在有很多反向分析,像英飞凌元胞尺寸大概是在2.4μm这个2.4μm的元胞里面有一沟道我们这个圆包尺寸是4.8μm,有两条沟道channel density的角度来说,我们跟他们是一样的。Cree那个元胞尺寸大概是6μm两个沟道我们performanceCree更好,跟我们的元胞尺寸小一些也有关系。1wDednc

更快的开关速度

“另外,因为我们的Qgd和Crss很低,随着vds积分,整个电容是很低的。由于Cgd很小,再加上我们有比较大的Cgs,因此,我们的器件在比较高的dv/dt开关情况下更难开通。这是一个理论的测算,如果在同样的dv/dt情况下,我们的器件vgs往上跳3V,某国际知名品牌是要往上跳35V,而其他国产品牌会往上跳更高。”黄兴指出。1wDednc

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由于该公司器件Crss很小,再加上其Rg很低,因此其抗dv/dt瞬变的能力就很高。“在所有品牌里,同样的80mA Rdson,我们只有1Ω的Rg,这就使我们的器件可以在电路允许的情况下提供很快的开关速度,而且也是非常安全的。我们的器件最高可以达到6000V/ns的速度。”黄兴说。1wDednc

另外,派恩杰的器件有一个特点,就是一般的器件在高温下,它的Rdson会增加得非常明显,特别是硅。将碳化硅和氮化镓进行对比,在高温下不管是硅还是氮化镓,基本上在正常的125℃工作环境下,其Rdson都会有将近2倍的变化。碳化硅则基本上不变,其变化率大概在20%左右。跟同行业的其他碳化硅MOS进行对比,派恩杰在高温下的Rdson也是更好。“因此,我们发现,一些客户在应用导入时使用一些40mΩ的竞品,用我们的80mΩ或60mΩ就可以替代。”黄兴指出。1wDednc

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功率器件工作效率测试

下图是该公司做的一个使用功率器件进行工作效率测试的Buck/Boost测试板。“目前我们在5.5kW的Buck/Boost,400V直流输入硬开关的情况下,可以跑到98%以上的效率。这是直流输入的情况,如果是交流的正常输入,效率会更高一些。可以看到,我们的器件在满负荷的条件下,P3点的温升大概就50℃左右。”黄兴说。1wDednc

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图腾柱PFC Demo

下图是该公司做的Totem-Pole Demo,目前还处于比较早期的阶段,也是在DC输入下进行功率的测试,对于3.3kW的Totem-Pole PFC,380VDC输入,其在65kHz开关频率下,最高效率可达到98.85%以上。1wDednc

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SiC标准模块

下图是派恩杰做的一个62mm的SiC标准模块。这个62mm的标准模块是完全对标Cree的1200V、400A的模块,它是个半桥,在600VDC BUS下进行测试的数据跟Cree差不多。1wDednc

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SiC设计车载小功率电源更省钱

该公司碳化硅MOSFET整个产品目录非常齐全,也覆盖了1700V的器件。“1700V的碳化硅MOS在很多小功率的辅助电源应用上是有惊喜的,因为我们的碳化硅MOS比硅MOS还要便宜。这个应用主要是在一些工业辅助电源上面,因为工业辅助电源一般会在DC母线上直接取电,对整个设备的控制器、驱动、传感器进行供电,而且这个功率一般不大,在100W以内。我们自己做的一个65W的辅助电源,输入是从300V到1000V的母线电压这样一个宽输入,输出是24V这一常用的Flyback辅助电源架构,可以看到没有做任何电路修改,直接把我们的碳化硅MOS 1700V插上去,替代1500V的硅MOS器件,效率就可以提高1.6%,更让客户喜欢的是这个器件比硅还便宜。”黄兴解释说。1wDednc

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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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