【应用】碳化硅MOSFET实现超高速切换，为电动车快速充电提供宽带隙解决方案

时间： 2018-04-17 来源：Littelfuse

技术问答

日常生活中，ICE汽车油箱需要不到五分钟的时间才能充满，而电动汽车需要更长的时间才能为电池组充电。由于缺乏充电站，这一时间框架也变得更加复杂，这意味着消费者甚至需要排队等候。还有什么可以提高电动汽车中的快速充电？高效的功率传输以及不断增加功率水平是提高车载和车外充电速度的一种方法。由于电池使用恒流方法充电以防止损坏，因此根据地区限制增加电流既不利也不允许，此外，增加电流也会导致线束问题，进而增加车辆重量。

因此，将电压增加到400V或更高是一个可行的解决方案：采用宽带隙解决方案 - 即碳化硅（SiC），可在高电压下有效传输电力。

碳化硅（SiC）也被称为碳化硅，是由硅和碳组成的化合物。作为一种稀有矿物碳硅石自然产生，碳化硅作为合成化合物已经批量生产了100多年。碳化硅已被用作研磨轮的研磨剂，并为汽车和其他应用（包括防弹背心）制造陶瓷器件。由于其半导体特性，碳化硅是一种有趣的化合物。下面的材料性能对比表表明使用SiC代替Si的多个优点。在比较具有相同结构和尺寸的SiC和Si半导体管芯时，SiC管芯比Si管芯表现出更低的电阻比和更高的击穿电压如表1所示，由于SiC具有优异的材料特性，包括低导通电阻，高导热率，高击穿电压和高饱和速度，因此可实现低损耗和高电压工作。（备注：“4H-SiC”表示LITTELFUSE碳化硅器件中使用的碳化硅的特定晶格结构）

图1 SiC管芯比Si管芯特性对比图

SiC是一种宽带隙半导体，已经成为替代硅基功率开关（金属氧化物半导体场效应晶体管 [MOSFET] 和绝缘栅双极型晶体管 [IGBT]）的替代性材料。许多汽车制造商和充电器供应商已经在实施碳化硅，因为其损耗低（提高效率）和耐高压能力。随着BEV中电池电压（400V及以上）的增加以及车载充电器和车外直流充电器（50kW及以上）的功率水平（>10kW）的提高，实施SiC作为电力电子开关因此变得越来越重要。

碳化硅肖特基分立二极管和碳化硅MOSFET是最常见和流行的碳化硅器件，其SBD结构是有利的，可以消除反向恢复电荷。与Si SBD相比，SiC SBD具有更低的正向压降和更低的导通电阻，可直接提高许多转换器/逆变器应用中的系统效率。 SiC SBD在结温（TJ）超过150°C时具有更强的性能。相对于门控设备而言就并不那么简单，但碳化硅确实在操作范围的某些方面提供了丰富的优势。下图说明了功率转换器应用中要考虑的两个主要工作参数：工作电压和开关频率。

图2

两种最常见的常关功率转换器是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和集成门极双极晶体管（IGBT）。由于其单极结构，MOSFET可利用快速切换速度实现快速开关；IGBT类似于电压控制器件; 它们结合了双极结型晶体管（BJT）的电流 - 电压特性，使其能够适应更高的电流。

当您考虑具有每种器件类型特性的Si的材料特性时，Si器件的局限性就会变得清晰。 Si MOSFET对于需要额定650V或更低额定电压的低压应用来说是一个很好的选择。然而，阻断电压高于650V的Si MOSFET的导通电阻值较大，这导致更高的传导损失。除了需要更大和更复杂的冷却系统之外，更高的传导损耗意味着降低系统效率和降低功率密度。

Si IGBT器件可以满足更高的阻断电压和低导通电阻要求。由于其高电流能力，Si IGBT一直是关键的电力电子器件;然而，由于其双极特性以及在关断事件期间需要扫除少数载流子，从而导致尾电流，所以其在最大可实现开关频率方面存在严重限制。 IGBT中的开关速度较慢会导致开关损耗增加。这需要更大和更复杂的冷却系统并降低效率。此外，系统中磁性元件和滤波器元件的尺寸与工作频率成反比，从而限制了功率密度。

了解如何驱动SiC功率器件也很重要。控制器规定开关导通和关断，以便在电力电子电路中实现有效的功率传输。作为控制器和功率器件之间接口的一个关键元件是栅极驱动器，它的作用类似于一个放大器，它接收控制器信号并放大它以驱动功率器件。由于SiC FET的优越特性，定义栅极驱动器的要求变得非常关键 - 因为这些要求与驱动硅MOSFET或IGBT的要求不同。

碳化硅的材料属性提供了在单极器件中结合高阻断电压能力和低导通电阻的机会，从而实现了令人难以置信的快速开关速度。创新的SiC MOSFET技术为全球应用设计工程师提供了丰富的系统级优化机会。littelfuse作为全球电路保护领域的领先企业，推出了首个碳化硅（SiC）MOSFET产品系列，成为该公司不断扩充的功率半导体产品组合中的最新系列。Littelfuse碳化硅（SiC）MOSFET LSIC1MO120E0080 额定电压为1200V，额定电阻为80mOhm，采用TO-247-3L封装，是联手Monolith Semiconductor Inc.推出的首款由内部设计、开发和生产的碳化硅MOSFET。该装置针对高频切换应用进行了优化，兼具超低切换损耗与超高切换速度，令传统功率晶体管望尘莫及。

图3 产品图示

相比具有相同额定值的硅器件，碳化硅MOSFET系列产品的能效更高，系统尺寸/重量得到缩减，电力电子系统中的功率密度也有所增加。即便在高温（150°C）下运行，也能发挥一流的耐用性与卓越性能。LSIC1MO120E0080系列碳化硅MOSFET具有以下关键优势：

· 专为高频、高效应用优化

· 极低栅极电荷和输出电容

· 低栅极电阻，适用于高频开关

· 在各种温度条件下保持常闭状态

· 超低导通电阻

新型碳化硅MOSFET产品的典型应用包括电源转换系统，例如：太阳能逆变器、开关模式电源设备、UPS系统、电机驱动器、高压DC/DC逆变器、电池充电器和感应加热。

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全部评论（1）

TAO Lv7. 资深专家 2018-04-17

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