以寬能隙技術支援電動車

作者 : Anup Bhalla,UnitedSiC工程部副總裁

本文將詳細介紹為何碳化矽(SiC)現在已經準備好將多個方面提高一個層級,它已證明自身在某些電動車(EV)設計領域能有具備關鍵作用。

在過去十年中,我們見證了寬能隙電晶體科技的興起,也見證了它開始决定性地佔領某些已證實能讓其效能優勢充分發揮價值的應用領域。這些應用領域包括備用電源系統和可再生能源發電場。本文將詳細介紹為何碳化矽(SiC)現在已經準備好將多個方面提高一個層級,它已證明自身在某些電動車(EV)設計領域能有具備關鍵作用。

對抗空氣污染和降低對快速耗盡的化石燃料的依賴的需求大力推動著電動車產業的發展進步,世界各地的政府也紛紛頒佈計畫和法律措施來促進該產業的發展。IHS Markit於數星期前發佈的一份報告表示,預計明年的電動車銷量會迅速增加,亦即2021年電動車銷量成長將接近70%,共計約425萬輛。預計中國是需求量最大的地區,然後是歐洲、北美,再之後是日本/韓國。如果產業分析師較長期預測是準確的,那麼,到2025年,年銷量將超過1,200萬輛。進一步展望未來,諮詢公司Wood Mackenzie估計,到2040年,至少有3.2億輛電動車上路行駛。

雖然聽起來前景廣闊,但是鼓勵人們放棄成年後一直在使用的內燃機汽車,改為使用電動車會帶來幾大挑戰。首先,充電的便利性。大規模鋪設充電基礎設施的大環境已經形成,這意味著電動車用戶可以確信他們將來無論行駛到哪裡都可以為車輛充電。完成充電的速度是另一個重要隱憂,因為電動車電池充滿電的時間不能讓用戶感到不滿。為此,大部分新鋪設的充電點都能支援快速充電功能。不過,車輛經濟性仍是一個阻礙,而不斷發展的電動車製造商需要找到有效方法來解决此問題。該問題將主要從控制零件的相關開支和運用先進科技改進系統設計這兩個角度來解决。

SiC元件實現快充需求

電動車製造商開始越來越多地採用SiC。它有能幫助加快充電週期完成速度的必要内容,還可讓功率轉換活動以高得多的效率執行。然而,隨著電動車設計不斷進步,電動車專用的SiC元件同樣也需要發展。

透過提高電動車功率轉換運作的效率,這些電動車的單次充電行駛里程將顯著提高。在車載充電器(OBC)方面,將需要支持更高的電壓。650V額定值的FET需要被電壓參數更高的元件取代,同時成本不能超過額定值900V以上的元件所需的成本。最後,透過改進傳動系統,所用的牽引逆變器對價格的影響將降低。上述三點均對消費者有利,將它們實施到車輛中,製造商將能獲得勝過競爭對手的優勢。

新型SiC元件

透過改善SiC元件的設計,設計師可以提高功率密度並降低當前電動車系統出現的部分功率損耗,同時還可望能降低系統材料清單的成本,這樣電動車就可以擁有更具吸引力的價格。電晶體供應商需要在盡可能短的時間內實現這些改進。

鑒於之前所述的問題迫切需要找到可行的解決方案,UnitedSiC推出了自己的第四代SiC科技。透過運用寬能隙電晶體領域的專業知識,工程師們開發了UJ4C075018K4S。這款符合AEC-Q101的額定值為750V的SiC FET元件採用高密度溝槽SiC JFET結構。JFET與低壓矽(Si) MOSFET一起封裝,形成共源共閘結構。JFET元件非常小巧,因而可以獲得相對於佔用面積非常低的導通電阻。此外,利用第四代SiC科技,可以利用尺寸更小的FET,同時使導通電阻保持在可接受的數值,進而允許實現尺寸减小。

新SiC FET元件的本體二極體的前向壓降(VFSD)和反向恢復電荷(QRR)相關的值都非常令人驚喜。SiC晶粒經過減薄,可提高電内容和熱内容。然後,該晶粒使用銀(Ag)燒結資料連接到銅(Cu)引脚架構,銀燒結資料的導熱性遠勝傳統焊料,上述都能帶來結殼熱阻方面的改善。元件的閘極驅動損耗極小,這意味著在軟開關應用中,此FET的開關速度比其他元件快得多,且不存在任何現有閘極驅動整合電路過熱的風險。

由於支持在750V下運作,SiC  FET可應對的電池電壓高於市場有售的其他供應商的標準650V元件。這意味著,可以實現更好的效能水准,而無需採用額定電壓更高(如900V或1,200V)且成本更高的元件。表1中比較了多個供應商的功率分離元件的關鍵性能參數。這些是基於矽的超結FET和幾個額定值為650V的SiC MOSFET。即使新一代SiC FET有比其他所述元件高得多的額定電壓(高100~150V),其組織面積導通電阻也仍然好得多,650V SiC MOSFET的值比SiC  FET好2~3倍,而Si FET的值則差了一整個數量級。

 

表1:UnitedSiC 750V SiC FET與當前的650V SiC MOSFET和600V超結FET比較。

 

在電動車應用中採用第四代SiC元件

前面已經討論了UnitedSiC第四代科技可實現的性能參數,接下來看看如何將它實現到電動車設計中。圖1描述了典型的電動車動力系統,圖中包括連接交流充電點的車載充電器,以及轉換400V中間匯流排的電力以供車內無數12V子系統使用的直流轉換器。在電動車充電時,電流從交流充電點流出,經過圖騰柱類型的功率因數校正(PFC)結構,直流轉換級會使用全橋CLLC諧振轉換器。750V SiC FET適合PFC單元和LLC/CLLC單元的一次側,如要支持更高的電池電壓,可以採用額定電壓為1,200V的SiC FET。

 

圖1:典型電動車中的車載充電和直流轉換電路。

 

透過使用開關損耗低且QRR居於領先的SiC FET,前端PFC的運作頻率可以明顯高於日漸過時的IGBT結構,正在逼近100kHz。同樣,直流轉換也可以應用高得多的頻率。從熱管理角度看,該系統帶來的效率提升很有優勢,因為散熱需求較低,它需要的設計工作和物料清單預算都較少。

現在,看看電動車的逆變器元件。該元件為傳動系統提供電力,並在電動車整體成本中佔據一大部分,大部分電動車逆變器製造商都在積極考量使用SiC解決方案的優點。如果能使用整體體積更小的逆變器,則大部分優點都能實現。電動車將具有經濟吸引力,因為汽車買家不用付那麼多錢了。如採用該逆變器,車重將減輕,成本也會降低,這意味著單次充電行駛里程也將延長。

雖然較大的商用電動車需要能支援較高電壓的SiC FET,但是在個人電動車的傳動系統中有多處可以採用額定值750V的FET。它的功耗要小得多,並能以更高的頻率運作。SiC FET其他優勢包括再生煞車期間的整流器損耗更低,以及與IGBT的預計效能接近的電路穩健性。SiC的耐高溫能力還意味著逆變器硬體可以直接整合到馬達外殼內,從而節省空間和成本,並改進馬達運轉。

結論

人們已經認可採用寬能隙製程科技的元件具有效能優勢,而且它們在支持車輛電氣化普及方面的價值也毋庸置疑。透過設計層面的進一步創新,讓電動車運作變得更高效且損耗變得極小的前景十分明朗,且由此帶來的便利性提高和成本降低勢必會讓未來幾年的電動車採用率變得更高。

 

 

 

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