2019年12月09日 | UnitedSiC新款SiC FET，拥有直接替代功能

从电池能量到车轮动力，新能源汽车EV具有约为59％-62％的转换效率，而且依然有提升的潜力。而我们的内燃机正在为努力达到21％的效率抓破了头。但至少有一个可能的路线能够提高电动汽车的性能，就是采用新型半导体开关用于动力传动系统。要实现更高的效率，关键是功率转换效率。这些难题似乎已被IGBT攻克，然而随着技术的更新，在许多应用中IGBT已经被碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料制造的宽带隙（WBG）半导体技术所取代。

新型功率半导体企业美商联合碳化硅股份有限公司（UnitedSiC）宣布将推出四种新型SiC FET——UF3SC。据介绍，该产品的RDS（ON）值可低至7mΩ，并可提供前所未有的性能和高效率，适用于电动汽车（EV）逆变器、高功率DC/DC转换器、大电流电池充电器和固态断路器等高功率应用。在这四款全新UF3C SiC FET器件中，一款产品额定电压值为650V，RDS（on）为7 mΩ，另外三款电压额定值为1200V，RDS（on）分别为9和16 mΩ。

UnitedSiC工程师表示，与Si器件相比，SiC功率器件可以有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。此外，基于卓越的电阻特性，能量损耗可降低70-90%。 因此可以大大改善系统上的散热。由于SiC可承受更高的温度，即可实现更高的集成。这将会满足未来客户对系统体积小型化，轻量化的诉求。其中，出色的二极管特性使得Vf仅为2V，与传统的SiC MOSFET 3.5V相比提高了不少，从而大大降低了二极管的损耗。

UnitedSiC的UF3C FET产品系列的独特之处在于其真正的“直接替代”功能。设计人员通过采用UnitedSiC FET替换已有的Si IGBT、Si FET、SiC MOSFET或硅超级结器件，即可显著提高系统性能，而无需改变栅极驱动电压。

SiC FET基于UnitedSiC独特的“共源共栅”电路配置，其中常开（normally-on）SiC JFET与Si MOSFET共同封装，可构建出具有标准栅极驱动特性的常关（normally-off）SiC FET器件。因此，现有系统在采用UnitedSiC“直接替代”FET升级后将具有很大性能提升，实现更低的导通和开关损耗，增强的热性能和集成栅极ESD保护。

堆叠式共源共栅（cascode）技术

UF3SC之所以能够有这些优势，要得益于其堆叠式共源共栅（cascode）技术的发挥，什么是共源共栅？这里先普及一下SiC FET基础知识以及技术原理。

所谓SiC FET，它是一种特定类型的WBG器件，是SiC JFET和Si MOSFET的复合体或“共源共栅（级联）”，其通常设置为OFF，没有偏压，并可在纳秒级内切换。与SiC MOSFET和GaN器件相比，它非常易于驱动，其品质因数RDSA与芯片面积归一化的导通电阻（ON-resistance）非常出色。这种器件由于采用垂直架构，具有极低的内部电容，使开关转换损耗极低。 SiC FET拥有非常快的体二极管，可减少电机驱动等应用中的损耗，并且不需要使用外部SiC肖特基二极管。

SiC FET（共源共栅）RDSA：通过芯片面积比较归一化导通电阻

UnitedSiC的新款SiC FET产品在1200Vds时，其RDS（on）可接近9mΩ，650Vds的产品可以做到7mΩ的器件。如此低的阻抗得益于良好的银烧结贴片工艺技术，并与Si IGBT，Si MOSFET和SiCMOSFET栅极驱动电压兼容。这就让客户可以在既有的设计平台上的电路进行设计。如果是新设计，UnitedSiC FET可提供更高的开关频率，从而带来显著的系统优势，能够实现更高效率，并可减小磁性元件和电容器等无源元件的尺寸和成本。

而且，UnitedSiC的SiC FET的驱动电压范围可以覆盖到±20V的范围，这对于Si IGBT，SiFET，SiCMOSFET或Si超结器件可以轻松升级，而不需要做任何的设计更改。

由于SiC FET的门槛电压Vth不会随着温度的变化而变化，在高温或低温情况下都会保持良好的开关特性，因此它在并联上的应用就会展现优异的性能，尤其是在高功率EV 逆变器中具有明显的优势。在使用并联TO247-4L 器件上，可显著降低成本。在损耗方面，对于8kHz，200KW的产品而言，每个开关使用6x并联SiC FET可以将损耗降低近3倍。这将大大提升电机效率，从而使得电动车得到更高的里程数。

对于在较低的电池电压系统应用上，UF3SC65007K4S与基于IGBT的系统具有更高的效率。通过650V，7mΩSiC FET的使用，除了作为用于替代辅助侧二极管的同步整流器之外，它可以大大降低在顺向导通过程中二极管发热的问题。

UF3SC在固态断路器中具有优势

与其他二极管特性不同的是，由于UF3SC无法产生电弧，所以可作为电阻丝的保护装置。据介绍，SiC FET会自动限制饱和电流，其内部的短路电流会被内部通道所抑制。UnitedSiC的工程师介绍了由6颗芯片并联而成的保护开关，其阻抗可小到2mΩ，在大电流工作过程中，可以限制其最高电流，因此它是作为固态电子保护器的元件最佳候选。

此外，在60KVA 逆变器的使用中，在传统设计上，该功率水平通常是通过电源模块来实现，但现在可以通过UnitedSiC分立器件来实现高功率等级的设计。

与具有类似额定值的IGBT相比，WBG器件被认为比较昂贵，针对这一问题，UnitedSiC工程师表示，由于WBG的原材料较为昂贵，价格上恐略有上浮，但通过技术的演进，许多产品的价格已经接近于Si等级MOSFET的产品。虽然IGBT依旧是电动机的主力，但随着材料的演进，目前已有很多厂商在对基于SiC FET进行电机的开发。未来还会在成本方面进行考量，但WBG无疑是高效率器件的首选，随着电动车的强劲趋势，这个市场需求前景依旧光明。

总结

得益于UF3SC 业界最低的RDS（on）SiC FET以及UnitedSiC先进的SiC技术，UF3SC在性能,效率，可靠性和成本效益方面都有着不俗的表现。

UnitedSiC是市场上唯一一家可以使用Si驱动的SiC元件。旗下的SiC FET等当代WBG器件是下一代EV电机驱动器的真正强有力竞争者，能够在苛刻汽车环境下提供更好的性能、更低的总体成本、以及经过验证的可靠运行。因此，预计未来十年碳化硅器件将成为动力传动系统的主导技术。