根據(jù)美國能源部的數(shù)據(jù)，如今美國道路上只有不到 1% 的汽車由電力驅(qū)動，但到 2050 年，這一比例可能會上升到 65-75%。這是否真的會發(fā)生將取決于諸如負(fù)擔(dān)能力、法規(guī)和技術(shù)進(jìn)步等因素。不過，毫無疑問的是，自 1997 年首次推出豐田普銳斯以來，現(xiàn)代電動汽車 (EV) 有了顯著改進(jìn)。特斯拉等公司已經(jīng)開發(fā)出先進(jìn)的電池、電機(jī)和控制技術(shù)，使他們能夠定期提供具有出色性能和 300 英里或更長續(xù)航里程的車輛。

不過，仍有很大的改進(jìn)空間。電動汽車將儲存在電池中的能量轉(zhuǎn)化為車輪動力的效率在 59% 到 62% 之間，盡管這比現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)實現(xiàn)的 21% 左右要好得多。

提高電動汽車效率的一種方法是在動力傳動系統(tǒng)中使用更高效的半導(dǎo)體開關(guān)，以及越來越多的電動輔助車輛系統(tǒng)，例如空調(diào)和照明。越來越值得確保將主電池電壓（通常為 400V）轉(zhuǎn)換為 12V 或 24V 的電源轉(zhuǎn)換器，因為這些功能使用最新的電路拓?fù)浜桶雽?dǎo)體來實現(xiàn)最大效率，至少對于不被視為安全至關(guān)重要。

另一方面，傳動系統(tǒng)中使用的電機(jī)控制電子設(shè)備被視為安全關(guān)鍵功能，因此設(shè)計人員必須依賴經(jīng)過充分驗證的技術(shù)。這就是為什么特斯拉現(xiàn)在只在其牽引電機(jī)控制器中引入 SiC FET，直到最近才不得不依賴 TO-247 封裝的 IGBT。

在電機(jī)控制中使用寬帶隙半導(dǎo)體

用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 材料制造的寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體現(xiàn)在正用于電機(jī)控制，因為它們提供更快的開關(guān)，這對于在高基頻下運行并需要良好過濾紋波的電機(jī)來說可能是必需的無正弦電流和低傳導(dǎo)損耗，因為它們沒有拐點電壓。這些特性的組合提供了更高的效率、更小的尺寸和重量，從而降低了成本。WBG 器件還可以在高溫下運行，對于 SiC 而言，通常為 200°C，峰值溫度超過 600°C，從而提供有用的安全裕度。

SiC FET 基礎(chǔ)知識

United SiC生產(chǎn) SiC FET，由 SiC JFET 和 Si MOSFET 的共源共柵排列形成。這種復(fù)合器件在無偏壓時常關(guān)，可以在納秒內(nèi)切換。與 SiC MOSFET 和 GaN 器件相比，SiC FET 易于驅(qū)動并提供出色的單位芯片面積導(dǎo)通電阻（圖 2 顯示了與競爭技術(shù)的比較）。這些器件具有極低的內(nèi)部電容，最大限度地減少了開關(guān)轉(zhuǎn)換的損耗。并且 SiC FET 具有非?？斓捏w二極管，可降低電機(jī)驅(qū)動等應(yīng)用中的損耗。

圖 2：將 SiC FET 的每單位芯片面積的導(dǎo)通電阻與競爭技術(shù)進(jìn)行比較

電動汽車驅(qū)動中的 SiC FET

WBG 設(shè)備尚未在電動汽車中廣泛采用的實際原因有幾個。首先是與類似額定值的 IGBT 相比的成本。還有一種情況是，電機(jī)的電感不會像 DC-DC 轉(zhuǎn)換器那樣按比例縮小，從而降低了更高的開關(guān)頻率的吸引力。SiC FET 實現(xiàn)的高開關(guān)速度可提供更高的轉(zhuǎn)換效率，但代價是電壓變化非常迅速（高dv/dt率），這會給電機(jī)繞組的絕緣帶來壓力。并且，WBG 器件在電機(jī)驅(qū)動電路的惡劣環(huán)境中的可靠性存在疑問，因為它具有潛在的短路、所需的較長工作壽命和較高的工作溫度。

盡管如此，這些設(shè)備承諾更好的轉(zhuǎn)換效率，這在系統(tǒng)層面轉(zhuǎn)化為更大的驅(qū)動范圍，并在實施層面轉(zhuǎn)化為更小、更便宜、更輕的散熱器。在典型工作條件下，SiC FET 的效率與 IGBT 相比特別好，因為 IGBT 具有“拐點”電壓，這實際上意味著它們在所有驅(qū)動條件下都具有最小的功率損耗。下面的圖 3 比較了使用兩個 1cm x 1cm IGBT 芯片的 200A、1200V IGBT 模塊與具有兩個 0.6 X 0.6cm SiC 堆棧共源共柵芯片的 200A、1200V SiC FET 模塊。

圖 3：比較使用 Si IGBT 或 SiC FET 構(gòu)建的 200A、1200V 開關(guān)模塊在室溫和高溫下的傳導(dǎo)損耗

該圖顯示 SiC FET 可以在給定的模塊占位面積中提供最低的傳導(dǎo)損耗，而且成本將會下降，因為 SiC FET 芯片尺寸比同等額定值的硅 IGBT 小得多。

可靠性問題

一些 WBG 設(shè)備確實存在可靠性問題。例如，SiC MOSFET 和 GaN 器件對柵極電壓極為敏感，其絕對最大值非常接近其推薦的工作條件。另一方面，碳化硅 FET 將容忍寬范圍的柵極電壓，并且裕度可以達(dá)到絕對最大值。

在 EV 電機(jī)驅(qū)動中，短路額定值成為主要問題。在這里，IGBT 被視為穩(wěn)健性的基準(zhǔn)，GaN 器件性能不佳，但 SiC FET 大放異彩，因為它們在 SiC JFET 的垂直通道中具有自然的“夾斷”機(jī)制，可以限制電流并使短路能力獨立柵極驅(qū)動電壓。SiC JFET 允許的高峰值溫度也意味著它們可以比競爭器件承受更長時間的短路。汽車應(yīng)用中的普遍期望是，在保護(hù)機(jī)制啟動之前，設(shè)備應(yīng)能承受 5μs 的短路。使用UnitedSiC 的650V SiC FET 進(jìn)行測試 表明它們可以承受至少 8μs 的短路，使用 400V DC 電源總線，即使在高溫下發(fā)生 100 次短路事件后，也不會降低器件的導(dǎo)通電阻或柵極閾值。

電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中的另一個設(shè)備殺手是不需要的過壓條件。同樣，GaN 也不能幸免，但 SiC FET 具有非常好的雪崩額定值，因為內(nèi)部 JFET 在其柵漏結(jié)擊穿時開啟以鉗位電壓。United SiC 的測試表明，這些器件能夠進(jìn)行 >10 6 次雪崩循環(huán)而不會降低器件參數(shù)。

令人信服的案例

UnitedSiC 的 SiC FET 等 WBG 器件是下一代 EV 電機(jī)驅(qū)動器的真正競爭者，滿足了對更好性能、系統(tǒng)成本節(jié)約和經(jīng)過驗證的穩(wěn)健運行的需求。因此，碳化硅有望在未來十年主導(dǎo)電動汽車的動力傳動系統(tǒng)。
審核編輯：郭婷