【应用】符合AEC-Q101的750V SiC FET应用于电动车，前端PFC级运行频率逼近100kHz

在过去十年中，我们见证了宽带隙半导体技术的兴起，也见证了它开始决定性地占领某些已证实能让其性能优势充分发挥价值的应用领域。这些应用领域包括备用电源系统和可再生能源发电场。在下文中，我们将详细介绍为何说碳化硅（SiC）现在已经准备好将多个方面提高一个层级，它已证明自身在某些电动车（EV）设计领域能起到关键作用。

对抗空气污染和降低对快速耗尽的化石燃料的依赖的需求大力推动着电动车行业的发展进步，世界各地的政府也纷纷颁布计划和法律措施来促进该行业的发展。IHS Markit于数星期前发布的一份报告表明，预计明年的电动车销量会迅速增长。报告预测，2021年，销量增长将接近70%，也就是共计约425万辆。预计中国是需求量最大的国家/地区，然后是欧洲、北美，再之后是日本/韩国。如果行业分析师的较长期预测是准确的，那么，到2025年，年销量将超过1200万辆。进一步展望未来，咨询公司Wood Mackenzie估计，到2040年，至少有3.2亿辆电动车上路行驶。    

虽然听起来前景广阔，但是鼓励人们放弃成年后一直在使用的内燃机汽车，改为使用电动车会带来几大挑战。首先，充电的便利性。大规模铺设充电基础设施的大环境已经形成，这意味着电动车用户可以确信他们将来无论行驶到哪里都可以给车辆充电。完成充电的速度是另一个重要隐忧，因为电动车电池充满电的时间不能让用户感到不满。为此，大部分新铺设的充电点都能支持快速充电功能。不过，车辆经济性仍是一个阻碍，而不断发展的电动车制造商需要找到有效方法来解决此问题。该问题将主要从控制零件的相关开支和运用先进技术改进系统设计这两个角度来解决。

SiC因素

电动车制造商开始越来越多地采用SiC。它有能帮助加快充电周期完成速度的必要属性，还可让功率转换活动以高得多的效率执行。然而，随着电动车设计不断进步，电动车专用的SiC器件同样也需要发展。

通过提高电动车功率转换运行的效率，这些电动车的单次充电行驶里程将显著提高。在车载充电器（OBC）方面，将需要支持更高的电压。650V额定值的FET需要被电压参数更高的器件取代，同时成本不能超过额定值900V以上的器件所需的成本。最后，通过改进传动系系统，所用的牵引逆变器对价格的影响将降低。上述三点均对消费者有利，通过将它们实施到车辆中，制造商将能获得胜过竞争对手的优势。

新种类SiC器件

通过改进SiC器件的设计，设计师可以提高功率密度水平并降低当前电动车系统出现的部分功率损耗。同时，应该还有望能降低系统材料清单的成本，这样电动车就可以拥有更具吸引力的价格。半导体供应商需要在尽可能短的时间框架内实现这些改进。

鉴于之前所述的问题迫切需要找到可行的解决方案，UnitedSiC推出了自己的第四代SiC技术。通过运用宽带隙半导体领域无与伦比的专业知识，UnitedSiC工程师们开发了UJ4C075018K4S。这款符合AEC-Q101的额定值为750V的SiC FET器件采用高密度沟槽SiC JFET结构。JFET与低压硅（Si）MOSFET一起封装，形成共源共栅结构。JFET元件非常小巧，因而可以获得相对于占用面积非常低的导通电阻。此外，通过UnitedSiC第四代SiC技术，可以利用尺寸更小的FET，同时使导通电阻保持在可接受的数值，进而允许实现尺寸减小。

UJ4C075018K4S的体二极管的前向压降（V_FSD）和反向恢复电荷（Q_RR）相关的值都非常令人惊喜。SiC晶粒经过减薄，可提高电属性和热属性。然后，该晶粒使用银（Ag）烧结材料连接到铜（Cu）引脚框架，银烧结材料的导热性远胜传统焊料。所有这些都能带来结壳热阻方面的改进。它的栅极驱动损耗极小，这意味着在软开关应用中，此FET的开关速度比其他竞争器件快得多，且不存在任何现有栅极驱动集成电路过热的风险。

由于支持在750V下运行，UJ4C075018K4SFET可应对的电池电压高于市场有售的其他供应商的标准650V器件。这意味着，可以实现更好的性能水平，而无需采用额定电压更高（如900V或1200V）且成本更高的器件。表1中比较了多个供应商的功率分离元件的关键性能参数。这些是基于硅的超结FET和几个额定值为650V的SiC MOSFET。即使UJ4C075018K4S有比其他所述器件高得多的额定电压（高100V至150V），其单位面积导通电阻也仍然好得多，650V SiC MOSFET的值比UJ4C075018K4S好2至3倍，而Si FET的值则差了一整个数量级。

表1：UnitedSiC 750VSiC FET与当前的650V SiC MOSFET和600V超结FET选项对比

在电动车应用中采用第四代SiC器件

我们已经讨论了UnitedSiC第四代技术可实现的性能参数，接下来看看如何将它实施到电动车设计中。图1描述了典型的电动车动力系统。图中包括连接交流充电点的车载充电器，以及转换400V中间总线的电力以供车内无数12V子系统使用的直流转换器。在电动车充电时，电流从交流充电点流出，经过图腾柱类型的功率因数校正（PFC）结构。直流转换级会使用全桥CLLC谐振转换器。750V UJ4C075018K4S FET十分适合PFC单元和LLC/CLLC单元的一次侧。如要支持更高的电池电压，可以采用额定电压为1200V的UnitedSiC第四代SiC FET。

图1：典型电动车中的车载充电和直流转换电路

通过使用开关损耗低且Q_RR居于业界领先水平的第四代SiC FET，前端PFC级的运行频率可以明显高于日渐过时的IGBT结构所能支持的频率，正在逼近100kHz。同样，直流转换级也可以应用高得多的频率。从热管理角度看，该系统带来的效率提升很有优势。因为散热需求较低，它需要的设计工作和物料清单预算都较少。

现在，我们看看电动车的逆变器元件。该元件为传动系统提供电力，并在电动车整体成本中占据一大部分。大部分电动车逆变器制造商都在积极考察SiC解决方案。

如果能使用整体体积更小的逆变器，则大部分优点都能实现。电动车将具有经济吸引力，因为汽车买家不用付那么多钱了。如采用该逆变器，车重将减轻，成本也会降低，这意味着单次充电行驶里程也将延长。

虽然较大的商用电动车需要能支持较高电压的SiC FET，但是在个人电动车的传动系统中有多处可以采用额定值750V的FET。在该领域中，UnitedSiC第四代SiC FET已经展示了超出同类最佳IGBT模块的性能，可以看到，它的功耗要小得多，并能以更高的频率运行。它还有其他优势，包括再生制动期间的整流器损耗更低，以及与IGBT的预计性能接近的电路稳健性。SiC的耐高温能力还意味着逆变器硬件可以直接集成到电机外壳内，从而节省空间和成本，并改进电机运营。

结论

人们已经认可采用宽带隙工艺技术的器件具有性能优势，而且它们在支持车辆电气化普及方面的价值也毋庸置疑。通过设计层面的进一步创新，让电动车运行变得更高效且损耗变得极小的前景十分明朗。由此带来的便利性提高和成本降低势必会让未来几年的电动车采用率变得更高。