2019年10月18日 | SiC MOSFET在汽车和电源应用有哪些显著优势？

摘要：传统硅基MOSFET技术日趋成熟，正在接近性能的理论极限。宽带隙半导体的电、热和机械特性更好，能够提高MOSFET的性能，是一项关注度很高的替代技术。

商用硅基功率MOSFET已有近40年的历史，自问世以来，MOSFET和IGBT一直是开关电源的主要功率处理控制组件，被广泛用于电源、电机驱动等电路设计。

不过，这一成功也让MOSFET和IGBT体会到因成功如何微调SiC MOSFET栅极驱动器，最大限度降低损耗”的应用笔记，全面详细介绍了驱动器的要求和最佳性能解决方案。)

不只是推断，还是事实 

制造工艺的进步有时并不能保证新技术一定会产业化和大规模应用，而SiC MOSFET却是一个例外。目前，SiC MOSFET已经大批量生产，并被混动汽车和电动汽车采用，在能效、性能和工作条件方面取得切实的成效，并传导到电路级和系统级。

我们用混动汽车和电动汽车的80kW牵引电机逆变器电源模块做了一个SIC MOSFET与硅IGBT的对比测试，结果显示，在许多关键参数方面，650V SIC MOSFET远胜硅IGBT。这个三相逆变器模块采用双极性PWM控制拓扑，具有同步整流模式。两种器件都是按照结温小于绝对最大额定结温80％确定器件尺寸。硅 IGBT方案使用4个并联的650V/200A IGBT和额定值相同的相关续流硅二极管；基于SIC MOSFET的方案设计采用7个并联的650V/100A SiC MOSFET，未使用任何外部二极管（只用本征二极管）；额定峰值功率480Arms（10秒），正常负载230Arms。其它工作条件是：

● 直流电路电压：400Vdc

● 开关频率：16kHz

● SiC Vgs电压 +20V/-5V，IGBT Vge电压 ±15V

● 冷却液温度：85℃

● RthJ-C(IGBT-die)=0.4℃/W; RthJ-C(SiC-die)=1.25℃/W

● 在任何条件下，Tj ≤ 80% ×Tjmax℃ 

下表列出了在额定峰值功率下的典型功率损耗：

注意到，SiC MOSFET与硅基IGBT对比，几乎所有功率损耗参数都有明显改善。当并联MOSFET时，所产生的RDS(ON) 导通电阻除以MOSFET的个数，致使导通损耗接近零，因此，SiC MOSFET的导通损耗低于IGBT。相反，当并联IGBT时，所产生的VCE(SAT) 电压不会线性下降，并且最小导通电压降是限制在大约0.8至1 V范围内。

不难看出，在整个负载范围内，基于SiC的MOSFET解决方案的功率损耗低很多。由于导通电压降较低，这些MOSFET在100％负载时的导通损耗也从125 W降低到55 W，如图3a和3b所示。

图3：a）在整个负载范围内，基于SiC的设计（红线）的功耗比硅基IGBT(蓝线)低很多（左图）。 b）SiC系统（红线）的能效明显高于纯硅方案（蓝线），在较低的负载比时尤为显著。

在低负载时，SiC器件的能效比硅IGBT高达3％；在整个负载范围内，总能效高至少 1％。尽管1％看起来似乎不高，但对于这个功率等级，1％代表了很高的功耗、耗散功率和散热量。工程师知道，高温是持久性能和可靠性的大敌。此外，高能效还能延长电动汽车续航里程，这是汽车制造商和消费者比较看重的价值主张。在16 kHz开关频率下，比较SiC与IGBT的结温，从低负载到满负载，显然SiC是赢家，两者的冷却液温度均为85⁰C，如图4所示。数据表明，因为损耗高，IGBT冷却系统的效率必须更高。

图4：结温决定开关频率高低、可靠性以及其它性能；在可靠性方面，SiC解决方案（红线）优于硅解决方案（蓝线），直到100％负载仍然保持较低的Δ(Tj-Tfluid)温差。

SiC器件结温几乎在整个开关频率范围内都处于较低的水平，如图5所示，甚至开关频率低至8 kHz时，温度也比IGBT低，硅基IGBT在46 kHz时已超出额定结温范围。

图5：在整个开关频率范围内，结温低也是SiC器件的主要优势；这两个方案在8 kHz时结温大致相同，但之后SiC（红线）逐渐优于Si（蓝线），后者随着开关频率的提高而大幅增加。

在峰值功率脉冲条件下，SiC MOSFET导通损耗高于IGBT，为使结温保持在最高结温以下（通常为200⁰C的Tjmax的80％），我们限定SiC MOSFET的尺寸，这时 SiC MOSFET具有以下优势：

● 芯片面积小，适合更紧凑的方案；

●  中低负载功率损耗低很多；

● 电池续航时间更长，延长汽车续航里程；

●  满载时损耗更低，适用于更小的冷却方案；

●  在整个负载范围内，结温Tj和冷却液温度Tfluid的温差小，可提高可靠性。

这些特性和优点为用户带来了切实的好处，例如，能效提高至少1％（损耗降低75％）；逆变器侧冷却系统更小、更轻（减少约80％）；电源模块更小、更轻（减少50％）。

成本考量

当讨论技术进步及其带来的好处时，不考虑成本因素的讨论都是片面的。目前，SiC MOSFET的成本是硅IGBT的4-5倍，不过，SiC MOSFET在物料清单、冷却系统和能耗方面的节省，降低了系统总成本，通常可以抵消掉这些基础组件的成本差距。在未来2-5年，随着行业转向大直径晶圆，意法半导体已经开始转型，这一价差应该会降至3倍甚至2.5倍，品质因数RDSON × 面积也将得到改善，产量将会提高。从长远看，未来5-10年，随着这些参数改进，成本将会继续降低。

SiC功率开关带来了改进性能的希望，同时也将这些希望变成了现实，在应用和安装中几乎不存在设计折衷问题。随着汽车厂商加紧研发混动汽车、电动汽车和许多相关电源模块，以及其它以大功率电机为中心的应用，SiC功率开关可以在成功设计中发挥重要作用，即使改进步伐很小，也会为系统级带来巨大的进步。