【技术】UnitedSiC第四代SiC FET技术推进电动车设计提高功率密度并降低功耗

人们普遍认为，到2025年，采用碳化硅（SiC）器件的汽车市场将跨过15亿美元的门槛，年复合增长率（CAGR）达到38%。这是由车载充电器、直流转换器和牵引逆变器中采用的基于SiC的元件带来的价值推动的。随着第四代（G4）750V SiC FET技术的推出，UnitedSiC为设计师们提供了可以让新设计提高功率密度、降低功耗并提升成本性能指标的器件。

第四代技术

理想的功率半导体开关在开态下的损耗微不足道，而在打开和关闭瞬态，它易于驱动，能安全地限制高压，能有效抵御过压和短路事件。基于SiC的开关让650V以上高压的器件接近这一目标。随着技术的发展，通过在降低导电损耗和开关损耗的同时，维持足够好的导热能力和稳健性，功率半导体供应商可以用较小的器件处理相同的功率转换任务。这有助于逐渐提高功率密度，实现更小巧的功率转换器和逆变器，并伴随越来越吸引人的价格。超结FET和IGBT等硅器件还在不断发展，但是宽带隙器件的进步速度，尤其是SiC FET的发展速度要快得多，因为SiC还处于技术成熟周期的早期阶段。

表1显示的是UnitedSiC第四代SiC FET（UJ4C075018K4S 18mohm，750V）与650V SiC MOSFET及Si SJ FET的关键参数和性能表征对比。虽然额定电压较高，达到100-150V，但是在25C或125C下，此SiC技术的单位面积导通电阻比650V SiC MOSFET降低2-3倍，比Si超结器件降低10倍以上。这是SiC FET内的高密度沟道SiC JFET结构带来的直接结果，SiC FET在封装内与低压硅MOSFET一起形成共源共栅连接。能获得目标R_DS(ON)的小SiC JFE芯片面积意味着，在给定面积内可以获得非常低的导通电阻，也可以使用一个电容较低的较小FET实现相同的导通电阻。

【表1：第四代750V SiC FET、类似的650V SiC MOSFET和600V超结快速二极管FET的参数比较】

硅MOSFET可实现+/-20VV_GS(MAX)额定电压和5V阈值电压，允许实现0至12V的轻松栅极驱动。此栅极驱动损耗可以量化为Qg.V，而且它比其他SiC或Si技术的栅极驱动损耗低得多，使得器件在软开关电路中的开关速度快3-10倍，且不会让现有栅极驱动集成电路过热。

从SiC FET的体二极管不凡的性能表征V_F.Q_RR中可以看出，这些体二极管同时实现了低前向压降V_FSD和低Q_RR。在这种模式下，这些器件仍然可轻松并联，而且使用或不使用同步整流均可。

受芯片体积不断缩小的影响，在给定R_DS(ON)下，器件电容很低，而这会让软硬开关性能表征R_DS*E_OSS和R_DS*C_OSS(TR)非常出色，这两个性能表征都与第四代SiC FET的输出电容行为相关。鉴于此器件像超结MOSFET一样甚至可以用0至10V电压驱动，此器件能以更简单的方式实现频率高得多的开关，尤其是在LLC电路中。

为了处理小晶粒体积的热阻影响，SiC比Si好3倍的热导系数只是个开始，并不足够。UnitedSiC还降低了SiC晶粒的厚度，以降低电阻和热阻，并采用银烧结材料将它连接到分立封装中的铜引脚框架上，银烧结材料的导热系数比标准焊料好6倍。这些改进使得出色的结壳热阻RthJC值可以变为现实。

UnitedSiC推出的SiC FET在标准TO封装中的导通电阻不足10mohm，能满足非常苛刻的应用需求。表2比较了第三代7mohm，650V器件和第四代6mohm，750V器件在相同TO247-4L封装中的行为，封装中包含1mohm的封装电阻。第四代技术的RdsA是第三代的一半，并导致相关晶粒体积以0.65:1的比例缩小。较低的电容会带来较低的Q_RR和较低的开关损耗E_TOT(E_ON+E_OFF)。较小晶粒的影响是将热阻从0.15C/W提高至0.21C/W。第四代器件的R_DS(ON)随温度升高的速度较快，在根据估计运行温度及导电损耗和开关损耗之间的差异选择器件时应该将这一点纳入考虑中。最后，专为逆变器设计的第四代器件具有出色的抗短路能力，可使用标准IGBT驱动和去饱和电路简化对这些器件的保护。

【表2：UnitedSiC推出的第三代650V和第四代750V SiC FET的比较】

车载充电器和直流转换器中的第四代SiC FET

第四代SiC FET的额定值为750V，因而与650V器件相比，可以用于更高的电池电压（最高500V），同时保留了足够的电压余度，让用户可以在相关情况下使用900V/1200V器件，因而无需影响性能和成本。虽然这些器件的开关速度极快，但是UnitedSiC仍提供了关于在实际设计中使用表面安装缓冲电路组件管理电压过冲并同时尽量运用这些器件的低导通电阻和低开关损耗优点的指导。

图1显示的典型的电路结构，用于创建一个含6.6KW级双向车载充电器（OBC）和2-3KW直流转换器的小巧组件，它为纯电动车中的12V子系统供电。在充电期间，电力从电网流经图腾柱PFC电路，最后形成高压直流总线电压（此处显示的是400V，但可以达到500V）。第二级是全桥CLLC单元，它提供谐振直流转换，以便给电池充电。请注意，此电路已经能让电流完全反向流动，将电池电量送回电网。SiC FET用户能将器件Q11-14作为异步整流器二极管在高频下使用，从而让控制变得更简单，还可以在电力反向流动时将它们作为LLC控制的开关。750V的第四代器件非常适合图腾柱PFC单元以及LLC/CLLC单元的一次侧。根据电池电压，Q11-14可能是750V或1200V SiC FET。

【图1：6.6KW车载充电器、直流转换器位于一个小巧单元中并共用冷却时的典型电路结构。750VSiC FET非常适合Q1-6、Q7-10和Q15-16。根据电池电压，Q11-14可能使用750V或1200V SiC FET】

表3中计算的是含2KW直流转直流级的6.6KW系统内的直流转换器在充电模式下的功耗及其满负载损耗，对应的电路为图1所示。使用第四代SiC FET器件则允许前端PFC级在比IGBT设计高得多的频率下运行，通常是从10-20kHz至40-100kHz。降低损耗的关键在于这些器件在给定导电损耗量下具有低开关损耗和低Q_RR。

直流转直流级可以在高得多的频率下运行，而低R_DS(ON)、Coss和栅极驱动的简单性则有助于实现非常高效的解决方案。自然而然地，高效会让每个晶体管具有低损耗，进而简化密集车载充电器单元的散热设计。

【表3：在图1所示电路的各种开关位置使用第四代SiC FET的开关损耗。半导体效率列显示的是根据已知器件导电损耗和开关损耗计算得出的值，表明功率器件自身仅占效率损耗的0.4-1%。这会让每个器件都实现低功耗，并减轻冷却负担】

根据电动车车载充电器和直流转换器中液冷方式的可用性，有几种封装选项。由于广泛的可用性和强大的散热能力，TO247-4L等通孔器件广受欢迎。开尔文栅极返回功能对于最大程度发挥SiC器件的优势十分重要，因为它支持更快速的开关和更简洁的栅极波形。在这种环境中，UnitedSiC FET的银烧结低RthJC很必要，可以实现有效散热。

表面安装封装也很流行，其中，D2PAK-3L正在被D2PAK-7L取代，因为后者具备开尔文栅极返回功能。一般而言，由于Cu垫片面积小得多，单个D2PAK-7L器件释放的热量较少。然而，受到烧结技术的低RthJC和SiC FET器件的低损耗影响，此类充电器和直流转换器采用基于IMS（绝缘金属基片）的小巧解决方案，对于许多功率器件而言，它拥有可使用全部表面安装自动装配的重要优点。

最后，还可以在这些应用中采用专用功率模块，一般而言，这会更贵，但是有简化功率设计和布局的重要优点。当OBC功率额定值较高（如22KW）时，需要更加认真地进行比较才能决定是选择分立器件还是模块解决方案。在此应用中，更小巧的专用模块将与更先进的集成FET和驱动解决方案进行比较，而且还要与具有更高额定值的功率分立器件一决高下，更高的额定值能让低成本分立器件解决方案的应用变得更广。

牵引逆变器

电动车牵引所需逆变器的电压范围很广，从60KW至200KW以上，而商用货车、公交车、卡车和重型车辆所需的功率额定值还要高得多。世界范围内有许多正在进行中的先进工程，以期将SiC MOSFET和SiC FET解决方案应用于具有更高电池电压的功率更高的系统，它们需要1200V FET。较高的电压有助于缩小同功率下的RMS电流，从而通过降低铜损耗来提高系统效率。

不过，目前使用的最大量设计和即将在个人车辆中广为普及的设计都很可能从新一类第四代750V SiC FET中受益，尤其是当它与基于IGBT的现有解决方案相比较时。表4将使用表2所述第四代SiC FET能实现的功耗改善与同类最佳IGBT在同一应用中的表现进行比较。在200KW下，第四代技术可将损耗降低3倍，在50KW下降低6倍，确保即使在SiC FET芯片尺寸小得多的情况下也能获得在快速加速期内稳定的散热设计，同时扩大轻负载损耗降低的幅度。再生制动期间，基于IGBT的解决方案中的快速恢复二极管会产生整流器损耗，而使用同步整流的SiC FET可以大幅降低这一损耗。鉴于第四代750V SiC FET的出色耐短路性以及与IGBT栅极驱动和去饱和保护的兼容性，这些器件为牵引逆变器打造了一条极佳的升级途径。

【表4：将基于IGBT的牵引逆变器的功耗和输出功率与采用第四代750V SiC FET的牵引逆变器进行比较。在正常牵引模式下以及再生模式下，可以实现3倍满负载损耗降低和6倍轻负载损耗降低】

凭借这些具有超低R_DS(ON)的功率分立器件（不到10mohm的TO247-4L）的推出，UnitedSiC为打造牵引逆变器的模块方法提供了一种替代方法。创新设计可使用这些器件的出色并联能力和烧结封装的超低RthJC，打造非常实惠的高性能牵引逆变器。图2中是使用第三代技术的此类逆变器的示例（感谢AC Propulsion公司的图片）。通过在每个开关位置并联4个第三代9mohm，1200V器件打造出了300KW的单元，从而在广泛的负载下实现非常高的运行效率。

【图2：采用UF3SC120009K4S TO247-4L FET的300kVA牵引逆变器能以低成本提供非常高的性能。随着电阻很低的功率分立器件的推出，这种方法正在逐渐成为模块方法的有力替代选择】

表5将使用第四代750V SiC FET打造牵引逆变器时所需的SiC面积与使用SiC MOSFET技术时的情况进行了比较。除了耐短路和较高的100V额定值这两点所带来的好处外，很明显，在使用UnitedSiC第四代技术时，在此技术的低单位面积导通电阻的显著影响下，可使用小得多的SiC面积实现相同的运行结温或相同的功耗。

【表5：优化所需的SiC面积以实现特定损耗（效率）、输出功率或尽量实现运行温度目标的最好方式就是使用UnitedSiC制造的SiC FET，它们的RdsA要比其他产品低得多。在SiC面积给定时，可以实现低得多的运行损耗或温度。所有解决方法都提供比IGBT替代方案高得多的性能】

图3a显示的是基于1200V第四代SiC FET的3相牵引逆变器原型，它用作评估第四代SiC FET性能的工具。该模块在每个开关位置使用8个并联的9mohm，1200V的堆叠式共源共栅第四代SiC FET，让端子处的每个开关的净导通电阻为1.5mohm。图3b中显示了此模块的典型开关波形。它证实了芯片并联技术十分出色，且改为基于SiC的设计会使效率获益。基于模块的解决方案简化了系统设计，不过通常比基于分立器件的解决方案昂贵。

【图3a：为牵引应用实现双电平电压源逆变器的600A，1200V六开关模块原型。每个开关位置都使用8个芯片，每个芯片电阻约9mohm。加上线与铜阻，端子处每个开关的电阻为1.5mohm】

【图3b：使用自定义栅极驱动板的600A，1200V，1.5mohm模块的半桥开关特征。SiC FET具有出色的快速开关行为，这一特征与非常低的导电损耗共同造就了非常低的功耗】

结论

SiC半导体和封装空间技术快速进步，推动无数应用迅猛发展，不仅包括电动车领域还有许多细分应用，而这些时刻对于SiC功率解决方案制造商而言都是激动人心的时刻。2020年APEC展会上介绍的第四代SiC FET技术以及随后的2020年第四季度全球产品发布都可能加速该解决方案的普及。我们预计会与SiC、GaN和Si产品在这一领域开展有效竞争，让设计师能够获得提供不断提升的功率密度和性能并满足苛刻成本目标所需的产品。在牵引逆变器领域，第四代技术将提供非常有吸引力的解决方案来应对成本效益挑战和基于SiC的高可靠牵引逆变器挑战。预计在未来几年将看到第四代技术应用量的极大增长。