宣布时间：2019/9/25 17:16:42
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2019-05-31 泉源：宽禁带半导体手艺立异同盟
汽车制造商越来越多地开发电动汽车（EV），，， ，，，，但他们的短距离驾驶规模仍然保存问题。。。。。。 。虽然空气动力学设计，，， ，，，，更轻的质料和更高效的电力使用确实有资助，，， ，，，，但这还不敷。。。。。。 。汽车电力电子设计职员需要使用先进的宽带隙半导体（WBG）质料来知足效率和功率密度要求。。。。。。 。
这些质料主要由氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）组成，，， ，，，，是对硅（Si）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等现有半导体手艺的刷新。。。。。。 。更低的消耗，，， ，，，，更高的开关频率，，， ，，，，更高的事情温度，，， ，，，，卑劣情形下的结实性以及高击穿电压。。。。。。 。它们特殊有用，，， ，，，，由于该行业正朝着更高容量的电池生长，，， ，，，，这些电池在高电压下事情，，， ，，，，充电时间更短，，， ，，，，总体消耗更低。。。。。。 。
WBG半导体的优势
通过回首，，， ，，，，带隙是将电子从质料的价带引发到导带所需的能量，，， ，，，，WBG质料的带隙显着大于硅的带隙（图1）。。。。。。 。而Si的带隙为1.1电子伏特（eV）; SiC具有3.3eV的带隙，，， ，，，，GaN具有3.4eV的带隙。。。。。。 。
图1：Si半导体在导带和价带之间的带隙比SiC和GaN窄，，， ，，，，因以后两者的名称为“宽带隙半导体”。。。。。。 。（图片泉源：STMicroelectronics）
WBG半导体允许器件在比古板硅更高的电压，，， ，，，，频率和温度下事情。。。。。。 。更主要的是，，， ，，，，开关和传导消耗更低。。。。。。 。WB的质料具有比Si约莫十倍的导通和开关特征。。。。。。 。这些能力使WBG手艺成为电力电子产品的自然尺寸，，， ，，，，尤其适用于电动汽车，，， ，，，，由于SiC和GaN元件可以做得更小，，， ，，，，操作更快，，， ，，，，效率更高。。。。。。 。
WBG装备的优势必需与制造重大性和大批量生产的更高成内情平衡。。。。。。 。虽然WBG组件最初可能更腾贵，，， ，，，，但其本钱继续下降，，， ，，，，并且一样平常而言，，， ，，，，它们将实现整系一切本钱节约。。。。。。 。例如，，， ，，，，在EV中使用SiC器件可能会增添数百美元的特殊前期本钱，，， ，，，，但由于电池本钱降低，，， ，，，，空间需求降低以及更小的散热器或对流冷却等更简朴的冷却步伐，，， ，，，，可以节约总体本钱。。。。。。 。
SiC用于主逆变器
牵引逆变器控制EV中的牵引电念头，，， ，，，，是可以受益于WBG部件的要害EV系统的示例。。。。。。 。逆变器的焦点功效是将直流电压转换为三相交流波形，，， ，，，，以驱动EV的电机，，， ，，，，然后将再生制动爆发的交流电压转换回直流电压，，， ，，，，为电池充电。。。。。。 。由于逆变器将存储在电池组中的能量转换为AC以驱动电念头，，， ，，，，因此能量转换中的损失越低，，， ，，，，系统越有用。。。。。。 。与硅相比，，， ，，，，SiC器件的增强的导电性和更快的开关频率降低了功率消耗，，， ，，，，由于作为热量损失的能量更少。。。。。。 。最终，，， ，，，，基于SiC的逆变器的更高效率将显示为更高的EV里程。。。。。。 。
处置惩罚大电流的电源�？ ？？ ？？橥ǔＪ�IGBT类型，，， ，，，，将Si IGBT与Si快速恢复二极管（FRD）相团结，，， ，，，，这是汽车逆变器�？ ？？ ？？橹谐Ｓ玫纳柚谩�。。。。。 。然而，，， ，，，，与Si IGBT现有器件相比，，， ，，，，SiC提供更高的事情温度和更高的开关速率。。。。。。 。这些功效关于牵引逆变器而言是最佳选择，，， ，，，，由于它们需要将大宗能量传输到电池和从电池传输。。。。。。 。
缘故原由如下：由于IGBT是开关元件，，， ，，，，其开关速率（导通时间，，， ，，，，关断时间）是影响效率（消耗）的要害参数之一。。。。。。 。关于IGBT，，， ，，，，在开关性能的价钱下实现了高击穿电压下的低电阻; 在器件关断时代保存“耗散时间”，，， ，，，，这会增添开关消耗。。。。。。 。效果，，， ，，，，IGBT具有相对低的效率。。。。。。 。若是在逆变器�？ ？？ ？？橹惺褂�MOSFET取代IGBT，，， ，，，，则可以实现更高的效率，，， ，，，，由于它们具有更短的关断时间和更高的事情频率。。。。。。 。然而，，， ，，，，Si MOSFET也保存问题; 与Si IGBT相比，，， ，，，，它们具有较大的“导通”电阻。。。。。。 。
使用SiC的有利特征，，， ，，，，与IGBT相比，，， ，，，，芯片面积险些减小一半的SiC MOSFET可以团结电源开关的四个理想特征：
l 高压
l 阻力低
l 切换速率快
l 低开关消耗（特殊是关断消耗）
更宽的带隙还意味着SiC器件通�？ ？？ ？？梢栽�150°C至175°C的温度规模内事情，，， ，，，，并且在准确封装时，，， ，，，，200°C或更高。。。。。。 。
作为SiC肖特基势垒二极管（SBD），，， ，，，，在SiC SBD中，，， ，，，，形成与SiC半导体的金属结以获得肖特基势垒。。。。。。 。但与硅FRD差别，，， ，，，，它们的优势在宽电流和事情温度规模内不会爆发显着转变。。。。。。 。SiC部件的介电击穿场也比硅横跨十倍。。。。。。 。因此，，， ，，，，现在正在大规模生产额定电压为1200伏的SiC产品，，， ，，，，因此成内情应下降。。。。。。 。别的，，， ，，，，额定电压为1700伏的产品正在开发中。。。。。。 。
SiC二极管也不会显示正向和反向恢复消耗，，， ，，，，只是少量的容量电荷消耗。。。。。。 。研究批注，，， ，，，，接纳SiC SBD的开关消耗比Si快恢复二极管低90％，，， ，，，，其中结温会影响恢复电流和恢复时间。。。。。。 。效果，，， ，，，，与Si二极管相比，，， ，，，，SiC二极管爆发相当低的品质因数（FoM）（Qc×Vf）。。。。。。 。较低的FOM意味着较低的功率消耗，，， ，，，，因此具有更好的电气性。。。。。。 。
碳化硅质料保存一些弱点。。。。。。 。其中一个是正热系数，，， ，，，，意味着温度越高，，， ，，，，正向电压（Vf）越高。。。。。。 。若是通过二极管的电流增添，，， ，，，，则正向压降也会增添。。。。。。 。当向二极管施加较高电流时，，， ，，，，这种传导消耗会导致热失控。。。。。。 。
然而，，， ，，，，SiC MOSFET和SBD团结在一起，，， ，，，，使系统设计职员能够提高效率，，， ，，，，降低散热器的尺寸和本钱，，， ，，，，提高开关频率以减小磁性元件的尺寸，，， ，，，，并缩小最终设计的本钱，，， ，，，，尺寸和重量。。。。。。 。使用SiC的EV逆变器可以比Si基等效物小5倍，，， ，，，，轻3倍，，， ，，，，功率消耗低50％。。。。。。 。
例如，，， ，，，，ROHM Semiconductor开发了BSM300D12P2E001半桥SiC功率�？ ？？ ？？�，，， ，，，，将SiC MOSFET与SiC SBD集成在一个封装中，，， ，，，，最大限度地降低了先前由IGBT尾电流和FRD恢复消耗引起的开关消耗（图2）。。。。。。 。
图2：IGBT�？ ？？ ？？橄啾�，，， ，，，，集成SiC MOSFET和SBD的全SiC功率�？ ？？ ？？榭墒迪指偷南�，，， ，，，，纵然在高速开关操作时代也是云云。。。。。。 。（图片泉源：ROHM Semiconductor）
与IGBT相比，，， ，，，，ROHM Semiconductor的SiC基MOSFET具有73％的划定消耗降低。。。。。。 。它们的MOSFET系列可以处置惩罚高达1700伏的电压，，， ，，，，导通电阻规模为45毫欧（mΩ）至1150mΩ。。。。。。 。它们接纳TO-247N，，， ，，，，TO-3PFM，，， ，，，，TO-268-L和TO-220封装。。。。。。 。
ROHM还生产切合AEC-Q101标准的汽车级 SiC肖特基势垒二极管，，， ，，，，具有恢复时间短，，， ，，，，高速开关能力，，， ，，，，低温度依赖性，，， ，，，，低正向电压以及在6至20安培电流下可处置惩罚高达650伏特的能力（一个）。。。。。。 。
SiC器件在电动汽车中的作用
特斯拉是第一家为其主逆变器集玉成SiC功率�？ ？？ ？？榈牡缍抵圃焐�，，， ，，，，在特斯拉3型轿车中也是云云。。。。。。 。特斯拉以前的车型，，， ，，，，S型和X型，，， ，，，，接纳TO-247封装的IGBT。。。。。。 。与意法半导体相助，，， ，，，，特斯拉逆变器由组装在散热器上的SiC功率�？ ？？ ？？樽槌伞�。。。。。 。1与STMicroelectronics的SCT10N120一样，，， ，，，，MOSFET的额定电压为650伏，，， ，，，，并使用铜基板举行散热。。。。。。 。
用于EV的充电装置在工厂装置，，， ，，，，称为“车载充电器”（OBC）。。。。。。 。在EV或插电式混淆动力EV（PHEV）中，，， ，，，，OBC提供了在家中或从私人或公共充电站中的插座为AC电源充电的要领。。。。。。 。OBC使用AC / DC转换器将50/60赫兹（Hz）交流电压（100至240伏）转换为直流电压，，， ，，，，为高压牵引电池充电（通常约为400伏直流电）。。。。。。 。它还凭证电池要求调解直流电平，，， ，，，，提供电流隔离，，， ，，，，并包括交流/直流功率因数校正（PFC）（图3）。。。。。。 。
图3：在典范的EV OBC中，，， ，，，，SiC二极管可用于例如PFC级作为升压二极管或与图腾柱拓扑中的N沟道IGBT并联。。。。。。 。（图片泉源：英飞凌科技）
GaN获得效率的牵引力
OBC的设计要求是具有最高的效率和可靠性，，， ，，，，以确�？ ？？ ？？焖俪涞缡奔�，，， ，，，，同时知足EV制造商有限的空间和重量要求。。。。。。 。使用GaN手艺的OBC设计可以简化EV冷却系统并镌汰充电时间和功率消耗。。。。。。 。商用GaN功率器件在汽车市场份额方面落伍于SiC，，， ，，，，但它们体现出令人印象深刻的性能并且正在迅速获得牵引力。。。。。。 。与SiC器件一样，，， ，，，，GaN器件具有更低的开关消耗，，， ，，，，更快的开关速率，，， ，，，，更高的功率密度，，， ，，，，并可实现整系一切尺寸，，， ，，，，重量和本钱降低。。。。。。 。
例如，，， ，，，，Transphorm的TP65H035WSQA是切合汽车级AEC-Q101标准的GaN FET，，， ，，，，在判断测试时代的温度高达175°C（图4）。。。。。。 。该器件接纳标准TO-247封装，，， ，，，，典范导通电阻为35mΩ。。。。。。 。与其前代产品49mΩGenII TPH3205WSBQA一样，，， ，，，，该器件适用于插入式混淆动力电动汽车和电池电动汽车的AC / DC OBC，，， ，，，，DC / DC转换器和DC / AC逆变器系统，，， ，，，，可实现交流/直流无桥图腾柱PFC设计。。。。。。 。
Transphorm TPH3205WSBQA 650伏，，， ，，，，49mΩGaiFET
图4：Transphorm TPH3205WSBQA 650伏，，， ，，，，49mΩGaNFET切合汽车标准，，， ，，，，已通过汽车级分立半导体的AEC-Q101压力测试。。。。。。 。（图片泉源：Transphorm）
虽然典范的Si MOSFET具有50伏/纳秒（ns）的最大dV / dt额定值，，， ，，，，但TP65H035WS GaN FET将以100伏/秒或更高的dV / dt切换，，， ，，，，以实现尽可能低的开关消耗。。。。。。 。在这种操作水平下，，， ，，，，纵然结构也会成为性能的主要因素。。。。。。 。推荐的结构坚持最小的栅极驱动环路，，， ，，，，并坚持开枢纽点之间的走线很是短，，， ，，，，最短的现实返回走线到电源总线和地。。。。。。 。电源接地平面提供了大的横截面积，，， ，，，，以在整个电路中实现匀称的地电位。。。。。。 。结构小心地将电源地和IC（小信号）接地脱离，，， ，，，，仅将它们毗连到FET的源极引脚，，， ，，，，以阻止任何可能的接地回路。。。。。。 。
英飞凌的AIDW20S65C5XKSA1是该公司第五代CoolSiC汽车肖特基二极管的一部分，，， ，，，，也是混淆动力汽车和电动汽车中OBC应用的开发，，， ，，，，是该公司IGBT和CoolMOS产品系列的增补，，， ，，，，可知足650伏级汽车应用的要求。。。。。。 。
得益于新的钝化层看法，，， ，，，，这是市场上最耐用的汽车装备之一，，， ，，，，具有耐湿性和耐侵蚀性。。。。。。 。由于它基于110微米（μm）薄晶圆手艺，，， ，，，，因此它也展示了同类产品中最好的FOM之一，，， ，，，，这意味着更低的功率消耗，，， ，，，，从而提高电气性能。。。。。。 。
与古板的Si FRD相比，，， ，，，，英飞凌CoolSiC汽车肖特基二极管可在所有负载条件下将OBC的效率提高一个百分点。。。。。。 。
使用SiC和GaN器件
除了前面提到的全心结构外，，， ，，，，SiC部件的一个潜在问题是它们的驱动要求，，， ，，，，这与IGBT器件很是差别。。。。。。 。虽然大大都晶体管通常具有使用对称轨道（例如±5伏）的驱动要求，，， ，，，，但SiC器件需要较小的负电压以确保它们完全关闭，，， ，，，，因此它们需要差池称的轨道（例如-1伏至-20）伏）。。。。。。 。
别的，，， ，，，，虽然SiC具有优异的热性能并且与硅相比能够传导大宗的热能，，， ，，，，可是SiC部件可以使用设计并用于Si的封装来容纳，，， ，，，，例如芯片键合和引线键合。。。。。。 。虽然这种封装要领可以很好地与SiC配合使用，，， ，，，，但它仅适用于低频电路（几十kHz）。。。。。。 。一旦使用高频，，， ，，，，寄生电容和电感就会变得太大，，， ，，，，从而阻止了基于SiC的器件实现其所有潜力。。。。。。 。
同样，，， ，，，，要充分使用GaN器件，，， ，，，，封装必需具有极低的寄生电感和高热性能。。。。。。 。新的封装要领，，， ，，，，例如在类似于多层印刷电路板的封装中嵌入芯片，，， ，，，，以低本钱实现了所需的性能，，， ，，，，同时还消除了导致其自身器件可靠性问题的引线键合。。。。。。 。
作为控制器和功率器件之间接口的要害元件是栅极驱动器。。。。。。 。关于接纳新器件的电子设计职员来说，，， ，，，，栅极驱动设计始终是一个问题，，， ，，，，因此相识怎样驱动SiC和GaN功率器件很是主要。。。。。。 。要求是：
l 高电源电压，，， ，，，，通过低传导消耗实现高效率
l 高驱动强度，，， ，，，，实现低开关消耗
l 快速短路保� ；；；；；；�
l 较小的撒播延迟和转变，，， ，，，，实现高效率和快速系统控制
l 高dv / dt免疫力
一些早期的GaN器件需要特殊的驱动器来避免栅极过压。。。。。。 。现在可以使用具有宽Vg容差的新一代E-HEMT，，， ，，，，只需改变栅极电压，，， ，，，，就可以通过许多标准MOSFET驱动器驱动。。。。。。 。GaN FET是横向器件，，， ，，，，因此需要相对低的最佳驱动电压。。。。。。 。因此，，， ，，，，总体而言，，， ，，，，GaN器件对Si MOSFET和IGBT具有类似的栅极驱动要求。。。。。。 。要求包括：
l 较小的栅极电荷 - 较低的驱动消耗，，， ，，，，较快的上升和下降时间
l 降低栅极电压
l 负电压可提高栅极驱动的稳健性
l 使用栅极电阻控制压摆率
利益是许多SiC和GaN解决计划供应商都在包装内部添加了特另外电子元件，，， ，，，，因此它们可以直接替换目今的设计。。。。。。 。
结论
为了知足逆变器和车载充电器等EV系统的效率和功率密度要求，，， ，，，，汽车电力电子设计职员现在能够使用更先进的WBG半导体，，， ，，，，如SiC和GaN。。。。。。 。与古板的硅器件相比，，， ，，，，它们具有更低的消耗，，， ，，，，更高的开关频率，，， ，，，，更高的事情温度，，， ，，，，卑劣情形下的稳健性以及高击穿电压。。。。。。 。
GaN和SiC可以在更高的温度下事情，，， ，，，，具有相似的预期寿命，，， ，，，，或者可以在与具有更长寿命的Si器件相似的温度下事情。。。。。。 。这为设计工程师提供了差别的设计路径，，， ，，，，详细取决于应用要求。。。。。。 。
使用WBG质料还允许设计职员从多种战略中举行选择以顺应他们的设计目的：使用相同的开关频率并增添输出功率; 使用相同的开关频率，，， ，，，，镌汰系统所需的散热量，，， ，，，，节约总本钱; 或者增添开关频率，，， ，，，，同时坚持开关中相同的功率消耗。。。。。。 。
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