電子產品節能的呼吁可能很難與電子產品節能的呼聲聯系起來，因為這意味著您的電費只需減少幾美分或對減少全球 CO 2排放量的貢獻很小，但是當電動汽車的效率更高時，效果更明顯——更好的射程、更輕的重量和更低的運行成本。現在，汽車電池和電源轉換技術的進步使它們變得可行，以至于一些國家/地區將禁止銷售內燃機 (ICE) 車輛1并且大多數新車開發都集中在電動汽車及其動力系統上。

尋找完美的開關

電動汽車裝有需要電力的電子設備，從牽引逆變器到車載充電器和輔助電源。在所有情況下，為了實現高效率，開關模式技術都用于產生電壓軌，依賴于在高頻下工作的半導體。該應用的理想開關在開啟時電阻接近零，關閉時無泄漏，并且擊穿電壓高（圖 1）。當它在兩種狀態之間轉換時，應該有很小的瞬態功耗，并且任何殘余損耗都應該導致最小的開關溫升。多年來，已經引入了性能越來越接近理想的半導體技術，但期望也發生了變化，并且繼續尋找完美的開關。

圖 1：理想的開關

理想開關的候選人

當今的開關選擇多種多樣：IGBT 因其低傳導損耗而在非常高的功率下受到青睞，而 MOSFET 在中低功率下占主導地位，其快速開關可最大限度地減少相關組件的尺寸和成本，尤其是磁性元件。MOSFET 傳統上使用硅技術，但現在可以使用碳化硅，因為它具有低動態和傳導損耗以及高溫操作的特殊優勢。它離那個難以捉摸的理想開關更近了一步，但還有另一種更好的方法——SiC JFET 與采用共源共柵排列的低壓硅 MOSFET 共同封裝，統稱為“SiC FET”。簡而言之，Si MOSFET 提供了一種簡單、非關鍵的柵極驅動，同時將常開 JFET 轉變為常關共源共柵，與 Si 或 SiC MOSFET 相比具有一系列優勢。

圖 2：IGBT、SiC MOSFET 和 SiC JFET 結構（1,200-V 級）

從圖 2 可以清楚地看出，MOSFET 或 JFET 中更高的 SiC 臨界擊穿電壓允許更薄的漂移層，約為 IGBT 中硅的十分之一，并具有相應的更低電阻。硅 IGBT 通過在較厚的漂移層中注入大量載流子來實現其低電阻，這會導致 100 倍的存儲電荷，這些電荷必須在每個開關周期中從漂移層中掃入掃出。這導致相對較高的開關損耗和顯著的柵極驅動功率要求。SiC MOSFET 和 JFET 是單極器件，其中電荷移動只是進出器件電容，因此動態損耗要低得多。

現在將 SiC FET 與 SiC MOSFET 進行比較，溝道中的電子遷移率要好得多，SiC FET 在相同電阻下允許更小的芯片，因此具有更低的電容和更快的開關或更低的導通電阻 (R DS(ON) )相同的芯片面積 A。因此，A 是一個關鍵的衡量標準，它表明對于給定的性能，每個晶片可能有更多的芯片，因此可以節省成本或降低給定芯片面積的傳導損耗。C OSS量化了導通電阻和輸出電容之間的相互作用，在給定的額定電壓下進行權衡，以提供或多或少的開關損耗。

在所有其他條件相同的情況下，每個晶片更多芯片和更快切換的雙贏局面因現在需要從更小區域散熱而有所緩和。SiC 的熱導率是硅的 3 倍，這很有幫助，而且它還能夠在更高的平均溫度和峰值溫度下工作，但為了利用這些優勢，最新一代的 SiC FET“GEN 4”具有晶圓減薄功能降低其電阻和熱阻，并采用銀燒結芯片連接，其導熱性比焊料好 6 倍——最終的效果是提高了可靠性，因為結溫低，絕對最大值有很大的余量。

與 SiC MOSFET 相比，SiC FET 的優勢是廣泛的，并且取決于應用，但可以在關鍵 FOM 和特性的雷達圖中進行總結（圖 3）。

圖 3：SiC FET 在不同應用中的優勢。圖表根據 UnitedSiC 的 GEN 4 SiC FET 的特性進行了標準化。

這些圖已根據 UnitedSiC GEN 4 SiC FET 的特性進行了標準化，在高溫和低溫下的各個方面都表現出卓越的性能。

實際結果證實了 SiC FET 的承諾

UnitedSiC 已經證明了 SiC FET 的有效性，其圖騰柱 PFC 級設計在具有“硬”開關的連續導通模式下工作，這將是 EV 車載充電器前端的典型特征。該轉換器的額定功率為 3.6 kW，輸入為 85 至 264-VAC，輸出為 390-VDC，使用 18-mΩ 或 TO-247-4L 封裝中的 60-mΩ GEN 4 SiC FET，開關頻率為 60 kHz。系統效率曲線如圖 4 所示，在 230 VAC 時達到 99.37% 的峰值，一個 18mΩ SiC FET 用于高頻、高側和低側開關位置。在 3.6 kW 的全功率輸出下，這些 SiC FET 的總功耗僅為 16 W 或 0.44% 的低效率，需要最少的散熱。

圖 4：圖騰柱 PFC 級使用 SiC FET 可實現 99.37% 的效率。

在電動汽車中，還有一個下變頻級，可將牽引電池電壓隔離至 12 V，通常使用 LLC 轉換器實現，這是目前實現高效率的首選拓撲。LLC 轉換器以高頻諧振切換以獲得最佳性能，而 SiC FET 再次是一個不錯的選擇。在 3.6 kW 下，以 500 kHz 切換，一對 GEN 4 750-V 18-mΩ MOSFET 的功耗低于 6.5 W，每個都包括傳導、開關和體二極管損耗。

牽引逆變器是可以節省最多功率的地方，而 SiC FET 可以取代 IGBT，從而真正提高效率。開關頻率通常保持在 8 kHz 的低水平，即使使用 SiC 器件也是如此，因為磁性元件是電機，它不會隨著逆變器開關頻率的增加而直接縮小尺寸。為了實現顯著的增益，單個 IGBT 及其并聯二極管可以替換為，例如，六個并聯的 6mΩ SiC FET，在 200kW 輸出時半導體效率提高 1.6%，達到 99.36%，代表超過 3 倍的切入功率損失或 3 kW。在較輕的負載下，車輛更常見地運行，改進更好，與 IGBT 技術相比，損耗低 5 到 6 倍——所有這些都具有更低的柵極驅動功率和沒有“拐點”電壓的優點，可以更好地控制在輕負載。降低損失，

我們達到完美了嗎？

? ? ?沒有半導體制造商敢聲稱他們的開關是完美的，但現在電源轉換效率已降至小數點以上 99%，我們離我們越來越近了。SiC FET 實現了這一點，您可以使用 UnitedSiC 網站上的 SiC FET-JET 計算器工具2親自嘗試，該工具可計算各種 AC/DC 和 DC/DC 拓撲的損耗。

　　審核編輯：湯梓紅