SiC MOSFET在电动汽车中的应用问题

来源：凌锐半导体

电动汽车中可能用到SiC MOSFET的主要汽车电子零部件包括车载充电机、车载DCDC变换器以及主驱逆变器等高压高功率电力电子转换器。

汽车电子零部件在产品设计时需要全方面的评估其中的关键半导体元器件，包括元器件的功能、电性能、机械性能、热性能、寿命等方面，同时还需要考虑项目设计的复杂度、可制造性、质量和成本等因素。目前SiC MOSFET已经开始逐步应用于电动汽车。下面列出了SiC MOSFET应用于电动汽车零部件中的几个主要应用问题。

1、SiC MOSFET的高dv/dt和di/dt

SiC MOSFET相比Si MOSFET和Si IGBT具有更高的开关速度，也就是更高的dv/dt和di/dt。这个更高的电压和电流变化率可能会结合系统中的寄生电容和寄生电感产生异常高的感应电流和电压，导致器件本身或者周边器件的应力超限，从而造成器件损坏。

高dv/dt和di/dt容易造成持续的高频波形振铃，进一步会引起更严重的电磁干扰EMI问题，比如导致电路中采样和控制信号的失真，从而影响控制环路的稳定性或者造成数据传输的异常。

高dv/dt和di/dt还使得SiC MOSFET器件本身的栅极上感应到的正电压和负电压尖峰更大。SiC MOSFET与Si器件相比，其阈值电压Vgs(th)以及负向的最大电压的数值都更小；栅极上感应到的正负电压尖峰的串扰有可能导致不可预测的误开启或者栅极击穿，这将造成SiC MOSFET器件的退化甚至损坏，从而导致零部件出现异常，比如电动汽车中的主驱无法控制电机，造成整车电机的扭矩控制和速度控制的异常。

2、SiC MOSFET的栅氧缺陷

SiC MOSFET比Si 半导体具有更多的栅极氧化层缺陷。栅极氧化层中存在的缺陷会导致SiC MOSFET栅极阈值电压Vgs(th)的漂移。

阈值电压的正向漂移会增加SiC MOSFET的通态损耗，导致过热。器件过热易造成器件热损坏和使用寿命的降低。

而阈值电压的负向漂移会导致器件进入不可预测的开启状态，也可能会导致器件损坏，从而导致主驱失去控制，影响汽车电机的运行。

3、SiC MOSFET的体二极管退化

由于SiC晶体上存在的基面位错（BPD），SiC MOSFET的体二极管处于双极性状态。体二极管的退化会导致体二极管导通状态下的载流子传导不良，从而引起额外的通态损耗，还会造成关断状态下的高漏电流，影响器件的耐压能力。这些异常增加了SiC MOSFET在长期使用期间的失效率，也增加了使用SiC MOSFET的零部件的失效率。

4、SiC MOSFET的短路时间

SiC MOSFET 的短路耐受时间比Si IGBT的短路耐受时间要短。 当主驱逆变器应用中存在上下桥臂直通的故障时，SiC MOSFET因直通而承受电池瞬态释放的巨大能量，又由于SiC MOSFET的芯片面积更小，导致更高的短路电流密度和更快的结温上升而出现击穿故障。

当SiC MOSFET作为主驱逆变器的主要部件时，其短路能力弱的特点使得传动系统容易突然失去控制，造成车辆运行失控等故障。