用于下一代电动汽车的SiC MOSFET

设计人员在电动和混合动力汽车中提高能量转换效率的重点是配备紧凑封装和组装的高热可靠性电力电子模块的设备，以减少开关损耗。

设计参数不同，并考虑到车辆动力总成系统中的功率水平、转换效率、工作温度、热能耗散能力和系统封装。

碳化硅与氮化镓

电动汽车的电力电子产品富含碳化硅 (SiC) 解决方案，可满足所有这些高功率应用所需的设计参数，从而为系统性能和长期可靠性做出重要贡献。

“电动汽车 (EV) 行业的采用率非常高。全球 OEM 已宣布超过 3000 亿美元的电动汽车投资，我们预计未来十年内所有制造的车型中有 20% 将实现电气化，”Cree 副总裁兼电源总经理 Jay Cameron 说。

SiC 和 GaN 被称为“宽带隙半导体”(WBG)，因为将这些材料的电子从价带炸开到导带需要能量：而在硅的情况下，这种能量为 1.1eV，它是SiC(碳化硅)为 3.3eV，GaN(氮化镓)为 3.4eV。

尽管在概念层面上有相似之处，但 SiC 和 GaN 组件不可互换，而是根据它们在其中运行的系统中的使用参数而有所不同。

GaN 的性能和可靠性与通道上的温度和焦耳热效应有关。集成到 GaN 中的 SiC 和金刚石等基板可以改善热管理。这使得降低设备的工作温度成为可能。

SiC 上的 GaN 是一种非常适用于甚高频 (RF) 应用的解决方案，可用于未来可与 5G 配合使用的设备。GaN on Si 在低电压 (<200V) 产品中保持其地位，例如紧凑型 USB PD 充电器。在 600V 和 650V 之间的范围内，这两种技术在低于 2kW 的应用中都能很好地工作。

由于其在开关损耗方面的出色性能，GaN 可以成为需要兆赫 (MHz) 范围内开关频率的正确解决方案。通过增加开关频率和电流值，弱电阻(比 SiC 大 2-3 倍)会限制高温下的应用，从而降低器件和系统成本。

“由于碳化硅在汽车行业的大量采用，我们看到了碳化硅成为更多电源设计中最具成本效益的解决方案的途径，”杰伊卡梅隆说。“碳化硅是车载充电器的关键解决方案。与硅实施相比，功率密度和效率的改进可以大大减少体积和重量。”

“我们的产品还支持双向 OBC 设计，支持 V2x(车辆到车辆、车辆到电网)趋势。凭借我们的 1200V 和 650V 设备组合，我们能够同时满足 800V 和 400V 电动汽车架构的要求，”Jay Cameron 说。

Cree 的解决方案

Cree 宣布扩大其产品组合，推出 Wolfspeed 650V 碳化硅 MOSFET，用于更广泛的工业应用，主要包括电动汽车、数据中心和其他可再生能源解决方案。

碳化硅 MOSFET 提供高能效，为新的智能电网提供下一代双向车载充电和储能解决方案。

“有一系列应用可以从 Cree 的新型 650V MOSFET 中受益。电动汽车和数据中心是可以从该技术中受益的两个领域，主要源于其高效率、高功率密度的特性。与硅替代品相比，您可以看到传导损耗减半，开关损耗降低 75%，功率密度提高 70%。这些优势非常适合电动汽车和数据中心，以及电信电源、UPS、太阳能逆变器等，”Jay Cameron 说。

 

图 1：Wolfspeed 650V MOSFET 具有较低的开关损耗和较低的传导损耗 [来源：Cree/Wolfspeed]

新的 15 mΩ 和 60 mΩ 650V AEC-Q101 合格器件采用第三代 Cree C3M MOSFET 技术，提供比以前的解决方案更低的开关损耗和导通电阻。与硅相比，Wolfspeed 的新型 650V 碳化硅 MOSFET 的开关损耗降低了 75%，传导损耗降低了 50%，从而可能使功率密度增加 300%。更高的效率和更快的开关速度使客户能够设计具有更高性能的更小解决方案。

“当电源设计人员使用碳化硅时，他们可以在他们的产品中实现最高效率，使他们能够从相同的外形尺寸获得更多的功率，从更小的外形尺寸获得相同的功率，或者最大限度地提高功率密度以减小尺寸、重量或成本。碳化硅衬底的特性是绝对关键的。例如，作为自然界中最好的导热体金刚石的表亲，碳化硅的热性能远远优于硅。散热越容易，设备运行的温度就越低，这会放大低导通电阻随温度变化的影响，”杰伊·卡梅伦 (Jay Cameron) 说。

 

图 2：归一化 R DS(on)与温度 [来源：Cree/Wolfspeed]

结论

全碳化硅模块正变得越来越广泛，无论是标准封装还是围绕碳化硅优化的新模块设计。“我们发布的 XM3 系列 1200V 碳化硅半桥显示了当封装设计时考虑到碳化硅时的改进。我们还积极支持模块制造商开发基于我们的碳化硅芯片的模块，他们的创新设计已经能够实现卓越的性能，”杰伊卡梅隆说。

对性能不断增长的需求推动了碳化硅解决方案的广泛采用，提供了非凡的成熟度。许多工业应用正在增加它们的采用。

 

图 3：降低 6.6kW 双向车载充电器设计中的总系统成本 [来源：Cree/Wolfspeed]

根据市场研究，最赚钱的市场将是电动汽车和自动驾驶汽车，其中WBG将用于逆变器、车载充电设备(OBC)和防撞系统(LiDAR)，这是显而易见的，考虑到与优化蓄电池性能的要求相匹配的新设备的热特性和效率。

审核编辑：汤梓红