當您的電費只減少幾美分或對減少全球 CO2排放量的貢獻微乎其微時，很難將電子產品中的節能呼吁聯系起來，但是當電動汽車獲得更高的效率時，效果更明顯——射程更遠、重量更輕、運行成本更低。現在，汽車電池和電源轉換技術的進步使它們變得可行，以至于某些國家/地區將禁止銷售內燃機 （ICE） 汽車，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

電動汽車充滿了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生成電壓軌，這依賴于以高頻運行的半導體。該應用的理想開關在導通時電阻接近于零，關斷時無泄漏，擊穿電壓高（圖 1）。當它在兩種狀態之間轉換時，瞬態功耗應該很小，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

理想開關的候選者

今天開關的選擇多種多樣：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，但現在可以采用碳化硅，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又近了一步，但還有另一種更好的方法 - 一種 SiC JFET 與低電壓硅 MOSFET 以共源共柵排列方式共同封裝，統稱為“SiC FET”。簡而言之，Si MOSFET 提供簡單的非關鍵柵極驅動，同時將常開 JFET 轉換為常關共源共柵，與 Si 或 SiC MOSFET 相比具有一系列優勢。

圖2：IGBT、SiC MOSFET 和 SiC JFET 結構

從圖 2 中可以清楚地看出，MOSFET 或 JFET 中 SiC 的更高臨界擊穿電壓允許更薄的漂移層，大約是 IGBT 中硅的十分之一，相應的電阻更低。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，這導致 100 倍的存儲電荷，必須在每個開關周期中從漂移層掃入和掃出。這導致相對較高的開關損耗和顯著的柵極驅動功率要求。碳化硅 MOSFET 和 JFET 是單極器件，其中電荷運動僅進出器件電容，從而大大降低動態損耗。

將現在的 SiC FET 與 SiC MOSFET 進行比較，通道中的電子遷移率要好得多，SiC FET 允許在電阻相同的情況下使用更小的芯片，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） ）相同的管芯面積 A。因此，A 是一個關鍵的衡量標準，它表明在給定性能的情況下，每個晶片有可能有更多的管芯，從而為給定的管芯面積節省成本或降低傳導損耗。COSS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增加或減少開關損耗。

在所有其他條件相同的情況下，每個晶圓更多芯片和更快切換的雙贏局面受到現在需要從更小的區域散熱的需要。SiC 具有比硅高 3 倍的熱導率，這有助于在更高的平均溫度和峰值溫度下運行，但為了建立在這些優勢的基礎上，最新一代 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，以實現比焊料高 6 倍的熱導率——最終效果是提高了可靠性，因為結溫低，并且有很大的絕對最大值。

SiC FET 相對于 SiC MOSFET 的優勢非常廣泛，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。繪圖針對 UnitedSiC 的 GEN 4 SiC FET 的特性進行了標準化

這些圖已經根據 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，圖騰柱 PFC 級設計在具有“硬”開關的連續傳導模式下工作，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，具有 85 至 264 VAC 輸入和 390 VDC 輸出，使用 18-mΩ 或 60-mΩ GEN 4 SiC FET 采用 TO-247-4L 封裝，開關頻率為 60 kHz。系統效率圖如圖 4 所示，在 230 VAC 下達到 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 的全輸出功率下，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 實現了 99.37% 的效率。

在 EV 中，還有一個下變頻級，將牽引電池電壓隔離到 12 V，通常使用 LLC 轉換器實現，這是目前高效率的首選拓撲。LLC 轉換器在高頻下諧振開關以獲得最佳性能，而 SiC FET 又是一個不錯的選擇。在 3.6 kW 下，開關頻率為 500 kHz，一對 GEN 4 750-V 18-mΩ MOSFET 的功耗小于 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 以真正提高效率。開關頻率通常保持在 8 kHz 低，即使是使用 SiC 器件，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。為了獲得顯著的收益，單個 IGBT 及其并聯二極管可以替換為，例如，六個并聯的 6-mΩ SiC FET，在 200-kW 輸出時半導體效率提高 1.6% 至 99.36%，代表超過 3 倍的切入功率損耗或 3 kW。在較輕的負載下，車輛更長運行，改進效果更好，損耗比 IGBT 技術低 5 到 6 倍——所有這些都具有柵極驅動功率低得多的優點，并且沒有“膝點”電壓以實現在輕負載下更好的控制和更低的損失。

審核編輯 ：李倩