如今，越來越多的汽車制造商涉足電動汽車 （EV） 開發(fā)，但是電動汽車的駕程過短卻始終是個問題。盡管采用空氣動力學設計、更輕質(zhì)的材料、更高效的功耗等方法確有成效，但這還遠遠不夠。汽車電力電子設計人員還需要使用先進的寬帶隙半導體（WBG） 材料來滿足能效和功率密度要求。

這些材料主要由氮化鎵 （GaN） 和碳化硅 （SiC） 組成，是對硅（Si） 金屬氧化物半導體場效應晶體管 （MOSFET） 和絕緣柵雙極晶體管（IGBT） 等現(xiàn)有半導體技術的改進。因而，由這些材料制成的半導體損耗更低、開關頻率更快、工作溫度更高、擊穿電壓更高，并且在惡劣環(huán)境中更堅固耐用。隨著汽車行業(yè)轉向使用容量更高、充電時間更短、總損耗更低，并且可在高電壓下工作的電池，WBG材料變得尤其有用。 本文將簡要概述WBG技術及其在汽車EV電子領域發(fā)揮的作用。此外，還將介紹由ROHM Semiconductor、STMicroelectronics、Transphorm和Infineon Technologies推出的GaN和SiC適宜解決方案，并對其應用予以指導。

WBG半導體的優(yōu)勢

先來回顧一下，帶隙是將電子從材料的價帶激發(fā)躍遷至導帶所需的能量，而WBG材料的帶隙明顯寬于硅（圖1）。Si的帶隙為1.1eV，而SiC的帶隙為3.3eV，GaN則為.4eV。

圖1：Si半導體導帶和價帶之間的帶隙比SiC和GaN窄，因此后兩者才獲得“寬帶隙半導體”的命名。（圖片來源：STMicroelectronics）

相比傳統(tǒng)硅半導體，WBG半導體器件可在更高的電壓、頻率和溫度下工作。更重要的是，開關和傳導損耗都更低。WBG材料的導通和開關特性約為Si材料的十倍。這些能力促成了WBG技術與電力電子技術的天作之合，特別適用于EV界，原因在于SiC和GaN元器件的尺寸更小、響應更快、能效更高。

然而，WBG器件雖優(yōu)勢盡顯，設計人員卻不得不將其與制造的復雜性和大批量生產(chǎn)的高成本進行利弊權衡。盡管WBG元器件的初期成本可能更高昂，但其整體呈下降趨勢，并且通常可降低系統(tǒng)總成本。例如，在EV中使用SiC器件可能會額外增加數(shù)百美元的前期成本，但由于電池成本和空間要求的降低以及冷卻措施的簡化（如采用小型散熱器或對流冷卻），最終降低了總成本。

SiC應用于主逆變器

在EV中控制牽引電機的牽引逆變器是EV關鍵系統(tǒng)受益于WBG元器件的范例。逆變器的核心功能是將直流電壓轉換為三相交流波形以驅動EV電機，然后將再生制動產(chǎn)生的交流電壓轉換回直流電壓來為電池充電。由于逆變器將存儲在電池組中的能量轉換為交流以驅動電機，因而能量轉換損失越低，系統(tǒng)能效越高。與硅相比，SiC器件的電導率更大、開關頻率更快，從而功耗更低，因為以熱量形式損失的能量更少。最終，SiC逆變器能效更高，從而體現(xiàn)為EV的里程更遠。

大電流功率模塊通常采用IGBT類型，將Si IGBT與Si快速恢復二極管 （FRD） 相結合，是汽車逆變器模塊的常用配置。然而，與現(xiàn)有的SiIGBT器件相比，SiC器件的工作溫度更高、開關速度更快。這些功能無疑使其成為是牽引逆變器的最佳選擇，因為牽引逆變器需要傳輸大量能量流入和流出電池。

原因如下：由于IGBT是開關元件，開關速度（導通時間、關斷時間）是影響能效（損耗）的關鍵參數(shù)之一。對于IGBT而言，可實現(xiàn)高擊穿電壓下的低電阻卻得以犧牲開關性能為代價；器件關斷期間存在“耗散時間”，而這會增加開關損耗。因此IGBT的能效相對較低。若逆變器模塊用MOSFET替代IGBT，則可以實現(xiàn)更高的能效，因為MOSFET的關斷時間更短、工作頻率更高。然而，Si MOSFET也存在問題，其“導通”電阻大于Si IGBT。

SiC MOSFET則充分利用了SiC的有利特性，芯片尺寸幾乎只有IGBT的一半，同時具備電源開關的四個理想特性：

高電壓

低導通電阻

開關速度快

低開關損耗（特別是關斷損耗）

此外，帶隙更寬意味著SiC器件一般工作溫度范圍為150℃至175℃，若封裝恰當即可達到200℃或更高。

對于SiC肖特基勢壘二極管 （SBD），在SiC SBD中會利用SiC半導體-金屬結形成肖特基勢壘。但與硅FRD不同，在電流和工作溫度范圍較寬的情況下，SiC SBD的優(yōu)勢也不會發(fā)生顯著變化。另外SiC元器件的介電擊穿場也是硅器件的十倍。因此，目前額定電壓1200V的SiC產(chǎn)品正投入大規(guī)模生產(chǎn)，成本相應下降。此外，額定電壓1700V的產(chǎn)品正在開發(fā)中。

SiC二極管也沒有正向和反向恢復損耗，只是少量的電容充電損耗。研究表明，SiC SBD的開關損耗比Si快恢復二極管降低90%，后者的結溫會影響恢復電流和恢復時間。因此，與Si二極管相比，SiC二極管的品質(zhì)因數(shù) （FoM） （Qc x Vf） 相當?shù)汀oM較低意味著功耗較低，因而電氣性能更出色。

碳化硅材料存在一些缺點。其中之一便是熱系數(shù)為正值，即溫度越高，正向電壓 （Vf） 越高。通過二極管的電流越大，正向電壓也就越大。二極管承受大電流時，這種傳導損耗會導致熱擊穿。

然而，結合SiC MOSFET與SBD使系統(tǒng)設計人員能夠提高能效，降低散熱器的尺寸和成本，提高開關頻率以減小磁性元件尺寸，從而降低最終設計成本，縮減尺寸和重量。相比Si基器件，使用SiC器件的EV逆變器可以小5倍、輕3倍，功耗降低50%。

例如，ROHM Semiconductor開發(fā)的BSM300D12P2E001半橋SiC功率模塊，將SiC MOSFET與SiC SBD集成封裝，最大限度地降低了先前由IGBT尾電流和FRD恢復損耗引起的開關損耗

與IGBT相比，ROHM Semiconductor的SiC基MOSFET損耗明顯降低了73%。該公司推出的MOSFET系列耐壓高達1700V，導通電阻范圍為45m?至1150m?，采用TO-247N、TO-3PFM、TO-268-L和TO-220封裝。

此外，ROHM推出的SiC肖特基勢壘二極管通過了AEC-Q101汽車級標準鑒定。該器件恢復時間短、開關速度快、溫度依賴性小、正向電壓低，可耐壓650V，電流范圍為6至20A。

SiC器件在EV應用中發(fā)揮的作用

作為首家主逆變器集成全SiC功率模塊的電動汽車制造商，特斯拉 （Tesla） 在特斯拉3型轎車中采用了這項技術。S型和X型等此前特斯拉車型，均采用TO-247封裝的IGBT。特斯拉與STMicroelectronics合作，將SiC功率模塊組裝在逆變器的散熱器上。與STMicroelectronics的SCT10N120一樣，這款MOSFET額定電壓為650V，采用銅基板進行散熱。

EV的充電設備在工廠已安裝就緒，稱為“車載充電器”（OBC）。通過家中或個人/公共充電站的插座，EV或插電式混合動力EV（PHEV） 的OBC即可利用交流電源為電池充電。OBC使用AC/DC轉換器將50/60Hz的交流電壓（100至240V）轉換為直流電壓，為高壓牽引電池充電（通常約為400V直流電）。此外，還可根據(jù)電池要求調(diào)整直流電平，提供電流隔離和AC/DC功率因數(shù)校正（PFC）（圖3）。

圖3：例如典型EV OBC應用中，SiC二極管可作為升壓二極管用于PFC級，或與N溝道IGBT并聯(lián)構成圖騰柱PFC。（圖片來源：InfineonTechnologies）

GaN憑借高能效廣受青睞

OBC的設計要求最大限度地提高能效和可靠性以確保快速充電，同時滿足EV制造商對空間和重量的限制要求。使用GaN技術的OBC設計可以簡化EV冷卻系統(tǒng)，縮短充電時間，降低功耗。在汽車市場份額方面，商用GaN功率器件較SiC器件略微遜色，而如今卻憑借其出色的性能而迅速搶灘。與SiC器件一樣，GaN器件的開關損耗更低、開關速度更快、功率密度更高，并且能夠縮減系統(tǒng)尺寸和重量，降低總成本。

例如，Transphorm的TP65H035WSQA通過了AEC-Q101汽車級標準鑒定。這款GaN FET在鑒定測試時的溫度高達175℃（圖4）。該器件采用標準TO-247封裝，導通電阻典型值為35m?。與其前代產(chǎn)品49m?的第II代TPH3205WSBQA一樣，該器件適用于插電式混合動力電動汽車和電池EV的AC/DC OBC、DC/DC轉換器和DC/AC逆變器系統(tǒng)，進而實現(xiàn)AC/DC圖騰柱無橋PFC設計。

雖然Si MOSFET的最大額定dV/dt典型值為50V/ns，但TP65H035WS GaN FET的切換dV/dt為100V/ns或更高，從而最大限度地降低開關損耗。在這種情況下，甚至連布局也會嚴重影響系統(tǒng)性能。布局時，推薦最大限度地簡化柵極驅動回路，縮短開關節(jié)點之間的印制線長度，以實用的最短返回走線將電源總線接地。電源接地平面的橫截面積要大，從而實現(xiàn)整個電路的接地電位均勻。布局時務必將電源地和IC（小信號）地分開，兩者僅在FET的源極引腳連接，以此避免任何可能的接地回路。

Infineon的AIDW20S65C5XKSA1是該公司第五代CoolSiC汽車肖特基二極管系列產(chǎn)品之一，同樣是為混合動力和電動汽車的OBC應用而開發(fā)，是該公司IGBT和CoolMOS產(chǎn)品系列的補充，可滿足650V級汽車應用的要求。

得益于全新的鈍化層概念，此產(chǎn)品成為市場上最耐用的汽車器件之一，具有耐濕性和耐腐蝕性。該器件基于110μm薄晶圓技術，因此在同類產(chǎn)品中FoM表現(xiàn)突出，這體現(xiàn)為更低的功耗，從而實現(xiàn)更出色的電氣性能。

與傳統(tǒng)的Si FRD相比，Infineon的CoolSiC汽車肖特基二極管在所有負載條件下均可將 OBC 能效提高一個百分點。

使用SiC和GaN器件

除了上述的精心布局外，SiC元器件的另一個潛在問題在于驅動要求與IGBT器件截然不同。雖然大多數(shù)晶體管的驅動通常使用對稱電源軌（如±5V），但SiC器件需要較小的負電壓以確保完全關斷，因此需要不對稱的電源軌（如-1V至-20V）。

此外，雖然SiC具有出色的散熱特性，與硅相比導熱特性亦出類拔萃，但是SiC元器件常使用為Si器件設計的封裝，例如芯片鍵合和引線鍵合。雖然這種封裝方法與SiC配合良好，但僅適用于低頻電路（數(shù)十千赫）。一旦應用于高頻電路，寄生電容和電感就會相應增大，從而阻礙基于SiC器件充分發(fā)揮全部潛力。

同樣，要充分利用GaN器件的優(yōu)勢，封裝就必須具有極低的寄生電感和出色的熱性能。嵌入式芯片封裝（類似于多層印刷電路板）等全新封裝方法，以低成本實現(xiàn)了所需的性能，同時還消除了引線鍵合以避免器件自身的可靠性問題。

柵極驅動器這一關鍵元件主要用作控制器與功率器件之間的接口。對于采用新器件的電子設計人員而言，柵極驅動設計始終是個難題，因此了解SiC和GaN功率器件的驅動方式就顯得尤為重要。具體要求是：

供電電壓高，通過低傳導損耗實現(xiàn)高能效

驅動強度高，實現(xiàn)低開關損耗

快速短路保護

傳播延遲和變化較小，實現(xiàn)高能效和快速系統(tǒng)控制

dv/dt抗擾度高

部分早期的GaN器件需要特殊的驅動器來防止柵極過壓。目前市面上推出具有大Vg容差的新一代E-HEMT，只需改變柵極電壓，即可由許多標準MOSFET驅動器來驅動。GaN FET是橫向器件，因此所需的最佳驅動電壓相對較低。總而言之，GaN器件的柵極驅動要求與SiMOSFET和IGBT類似。具體要求包括：

柵極電荷較低 - 驅動損耗較低，上升和下降時間較短

柵極電壓較低

負電壓以提高柵極驅動的穩(wěn)健性

使用柵極電阻以控制壓擺率

其優(yōu)勢在于，許多SiC和GaN解決方案供應商都在封裝內(nèi)添加了其他電子元件，因此可以直接替代當前的設計。

總結

為了滿足逆變器和車載充電器等EV系統(tǒng)的能效和功率密度要求，汽車電力電子設計人員現(xiàn)在可以使用更先進的WBG半導體，如SiC和GaN。與傳統(tǒng)硅器件相比，WBG半導體的損耗更低、開關頻率更快、工作溫度更高、擊穿電壓更高，并且在惡劣環(huán)境中更堅固耐用。

GaN和SiC可在更高的溫度下工作，預期使用壽命卻與Si器件無異；或是在同等溫度下工作，使用壽命卻更長。這為設計工程師提供了不同的設計方案，具體取決于應用要求。

此外，使用WBG材料讓設計人員能夠從多種策略中選擇適合設計目標的方案：使用相同的開關頻率，提高輸出功率；使用相同的開關頻率，降低系統(tǒng)的散熱要求和總成本；或者提高開關頻率，但保持相同的開關功耗。

編輯：jq