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增加电动汽车续航里程,高耐压、低损耗SiC FET是刚需

2021-10-12 09:03:22 赵明灿 阅读:
在电力电子领域,工程师一直以来有着6大诉求:更优秀的性能、更高的能效、更好的成本、更强的鲁棒性、更多的设计裕量,以及设计灵活性。

在电力电子领域,工程师一直以来有着6大诉求:更优秀的性能、更高的能效、更好的成本、更强的鲁棒性、更多的设计裕量,以及设计灵活性。XRUednc

基于上述诉求,前不久,UnitedSiC(联合碳化硅)公司最新推出了UJ4C/SC 750V第四代碳化硅场效应管(SiC FET)系列产品,其中包括9款器件。这之中就包括了号称“业界最小导通电阻(RDS(on))”的6mΩ产品。据了解,这款产品能够帮助工程师将系统设计推到新的境界。XRUednc

日前,EDN收到UnitedSiC的邀请,对这一新产品进行了采访。XRUednc

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据UnitedSiC公司亚太区销售副总裁刘鲁伟介绍,这款6mΩ、750V的器件,其性能相比以往的7mΩ、650V器件获得进一步的提升(由于半导体技术的进步,其成本并不会有明显提升)。据介绍,UnitedSiC的750V系列在年初已有两款产品——18mΩ和60mΩ——被客户采用并实现量产。在此基础上,该公司又新增了9、11、23、33、44mΩ五种器件,并且均有TO-247-3L(3脚)和4L(4脚)两种封装规格选择。XRUednc

该系列产品还具有“业界最优”的性能指数。由于该公司SiC FET的一致性出色,因此相对来说驱动也比较简单——栅极开启门限VTH=5V,栅极驱动0-12V——兼容市场上所有的硅基IGBT、硅基MOSFET以及常用SiC MOSFET。XRUednc

此外,6mΩ器件主要应用在电动车驱动部分,因此UnitedSiC还特别增加了一个特性,就是有5μs的短路承受能力。XRUednc

下图列出了UnitedSiC第四代750V碳化硅MOSFET的所有产品,加上今年年初推出的4款器件,总共包含13款器件,希望能为工程师提供更多的选择。XRUednc

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下图是不同厂商最小导通电阻的对比,左边是650V,右边是750V。从中可以看出,UnitedSiC 750V产品的导通电阻仅为onsemi的一半。此外,他强调,以往市场上主要是650V产品,现在UnitedSiC把第四代产品推到750V,其中很重要的考量就是电动车应用——主流的电动车,电压基本都在400V以上,因此用750V器件来应对这个市场就比较从容。XRUednc

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刚才提到,该公司6mΩ器件特别新增了5μs的短路耐受能力。这个指标尤其对于电动汽车非常重要,这对于工程师来讲,可以让其有足够多的时间做一些设计保护。XRUednc

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随后,UnitedSiC公司亚太区FAE经理Richard Chen介绍了UnitedSiC第四代产品的性能指数,包括以下三点:XRUednc

1. RDS(on)×面积。这个指标可以在常用的温度范围带来极低的导通损耗。对于给定的面积或封装形式,可以在有效温度范围之内将传导损耗降到最低。XRUednc

2. 硬开关。传统上衡量开关好坏的方法是确定传导损耗的大小,以及开关损耗占传导损耗的比例。第四代产品除了使导通损耗获得降低以外,还优化了开关损耗。通过FoM这一性能指标来看,其开关损耗与导通损耗之比,要比竞争对手好将近2倍。XRUednc

3. 软开关。除了传导损耗以外,还要针对管子的寄生参数做优化,这样就可以让开关频率得到提高,从而让功率密度更高。另外就是驱动的损耗。由于具有较低的Qg×Vdrive,因此栅极驱动损耗就可以做到非常低。再就是出色的体二极管可以实现可靠的无谐振运行。XRUednc

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至于“上述性能提升是如何实现的?”这个问题,刘鲁伟告诉EDN记者:“在制造上,不像第二代到第三代,我们从4吋跑到6吋,材料上有大的变化,第三代到第四代,不管是从IP、外延还是SiC基材来讲,其实都是一样的。第三代到第四代的改进,更多的是在设计思路上。相同的晶圆尺寸可以制作更多器件,同时兼顾性能指标。”XRUednc

下图展示了SiC材料的极限(RdsA与BV之间的关系)。从中可以看出,与市面上的硅基MOSFET和其他SiC MOSFET相比,UnitedSiC第四代Cascode(共源共栅)器件最接近于理论技术极限。XRUednc

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UnitedSiC最新SiC FET的推出,让工程师针对所需的功率等级,可以有更多的器件进行选择。这样就可以让其可以针对能效、成本和散热进行优化。XRUednc

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在应用上,在电动车车载充电器方面,UnitedSiC第四代SiC器件可以适用于前级的OBC以及DC/DC两个部分。XRUednc

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在电驱方面,工程师可以根据客户需求,采用6、9、11mΩ多款器件并联的方式来实现设计。他补充说,由于未来的电池电压可能由400V转变到500V,因此选用这次所发布的750V的管子就可以无缝切换。XRUednc

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目前,牵引逆变应用还是以IGBT的设计为主,但是采用UnitedSiC 6mΩ器件并联的方式,在满载时能将损耗降到原本的1/3左右。另外,实际上,汽车在行驶过程中大部分时间都是处于中载和轻载状态,因此,在这种情况下,其损耗可以降低5到6倍,进而就可使汽车的行驶距离得到大幅延长。至于其原因,就是SiC FET没有膝点电压,在所有负载条件下开关损耗就比IGBT还要更好。XRUednc

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在牵引逆变应用方面,很多厂商都开始采用SiC的设计。如果采用UnitedSiC的器件进行设计,在同样的面积下可实现更低的传导损耗,也即可以获得更高的效率。又或者,如果用户希望降低设计的面积,UnitedSiC的器件可以使其降低大概一半的样子,也即可以使功率密度更高。XRUednc

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在电动汽车无线充电应用方面,通过使用UnitedSiC低阻抗的器件,就能够更大程度地发挥优势。UnitedSiC的SiC器件除了Cascode以外,还有JFET的类型。通过将SiC JFET器件导入到二次侧的整流部分,由于其是常通型器件,因此在通信丢失的时候,就可以通过将变压器的两端短路而避免能量持续的传递,进而避免对受电系统造成破坏。XRUednc

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在充电桩部分,这类系统已经非常成熟,通过UnitedSiC的器件可以使系统得到优化。XRUednc

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在断路器方面,可以使用UnitedSiC低RDS(on)的器件替代机械式断路器,而使系统面积得到降低并避免出现电弧放电。XRUednc

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在IT基础设施方面,这个市场传统上都是以硅基的超级结MOSFET为主。由于采用UnitedSiC的Cascode结构,其驱动电路设计与硅基一样,因此,用户可以很方便地将UnitedSiC第四代SiC导入到图腾柱拓扑或LLC谐振DC/DC转换器上,而达到更高的性能。XRUednc

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同时,UnitedSiC针对图腾柱PFC应用还设计了一款3.6kW的开发板。通过下图的效率测试曲线可知,用户可以针对不同的效率点选用不同的器件来进行优化。另外,这也可以使成本得到优化。XRUednc

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在LLC谐振电路应用方面,就3kW DC/DC转换器而言,由于驱动部分和硅基超级结相同,因此采用UnitedSiC的SiC器件可以很方便地导入,同时能够带来效率提升。XRUednc

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另外,UnitedSiC还推出了新版FET-Jet计算工具2.0。这款网络计算器可以支持总共26种电源拓扑,包括AC/DC、DC/DC(非隔离型和隔离型)。通过这款计算器,研发工程师可以基于所用拓扑,获得器件损耗以及系统效率的信息、驱动设计的优化,以及RC吸收电路的推荐值,从而大幅节省设计时间。在选型上,也可以获得最优的选择。同时,UnitedSiC最新发布的全系列的750V器件,也都包含在内。XRUednc

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总结XRUednc

UnitedSiC最新发布的UJ4C/SC全系列750V SiC FET当中,最低RDS(on)的器件将导通损耗推到了6mΩ的新低。XRUednc

多达13种规格的器件可供工程师选择,增加了设计的灵活性。XRUednc

此外,这些器件在各方面的性能都达到了新的高度。XRUednc

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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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