寬能隙(WBG)半導體正被應用於包括電動車(EV)在內的各類功率轉換器中。其承諾的更高效率和更快轉換速率將節省成本、尺寸和能源,它通常被運用在充電器和輔助轉換器中,但尚未在牽引逆變器中大量取代IGBT。本文將介紹最新一代SiC FET,因其提供低於IGBT的損耗,以及在高溫和多重應力下被證實的短路強健性,而成為新型逆變器設計的絕佳選擇。

1900年美國38%的車輛是電動車

是的,你沒看錯,這是真的…在1900年的所有美國車輛中,38%(33,842輛)由電力驅動,40%用蒸汽驅動,22%用汽油驅動。然而,當亨利福特(Henry Ford )大規模生產廉價的汽油動力汽車後,電動車的百分比急劇下降。如今,道路上的電動車不到1%,但據預測,到2050年,美國65%~75%的輕型車又將透過電力驅動。

自1997年豐田(Toyota)Prius在日本推出以來,現代電動車已經大幅改進。現在,先進的電池和馬達技術可以提供300英哩甚至更多續航里程。然而,對2050年電動車用量的預測還依賴於某些假設:購買力、持續高漲的油價、更嚴格的健康與環境法規,以及實現更多里程和更快充電的更先進技術。

擁有從電池能量到車輪動力59%~62%的轉換率,看起來電動車還有改進的空間。電氣工程師可能會翻翻白眼說現代內燃機才正在努力達到21%呢!但是憑藉其新的半導體開關用於動力傳動系統,至少電動車具備獲取更高性能的可能藍圖。

獲得更多里程的關鍵是功率轉換的效率。這不僅僅實現在由馬達驅動的電子設備中,很多協助工具例如照明、空調甚至資訊娛樂系統也使用了大量能源。人們已經付出了很多努力利用各種措施減少這些領域的能耗,例如使用LED燈。各種電源轉換器需要將主電池電壓從400V降到12V或24V以用於這些協助工具,目前這些轉換器採用了最新的拓撲結構和特殊的半導體元件以實現最佳效率,同時承擔了非攸關安全應用可接受的新技術固有風險(圖1)。

20190903TA31P1 圖1 電動車的動力轉換元件。(資料來源:美國能源部)

對於動力傳動系統,由馬達控制的電子設備被認為是攸關生命的,因此設計師不得不秉持「安全第一」的原則,並堅持使用經過反覆驗證的技術。在實踐中,這意味著使用IGBT開關已證實了其30多年的強健性,例如,在特斯拉(Tesla)Model S的高科技外觀背後是TO-247封裝裡的66個IGBT在控制牽引馬達;而相同的IGBT在20世紀80年代的工業程序控制器中也非常普遍。較新的型號才剛剛開始出現,這就是SiC FET。

寬能隙半導體正成為馬達控制的有力競爭者

在許多現代應用中,IGBT已經被更新的技術所取代,例如矽MOSFET和現在採用SiC和氮化鎵(GaN)材料製造的寬能隙半導體。寬能隙元件最大的優勢是更快的切換速率,這就意味著更小的外部元件,像磁性元件和電容。這種組合提供了更高的效率、更小的尺寸與重量,從而降低了總體成本。寬能隙元件還可在高溫下工作,對於SiC而言通常為200℃,峰值溫度允許超過600℃(取決於具體元件)。

SiC FET入門及其優勢解析

寬能隙元件的一種特定類型是SiC FET,即SiC JFET和矽MOSFET的複合體或「級聯(cascade)」體,其通常設置為OFF,沒有偏壓並且支持奈秒級切換。與SiC MOSFET和GaN元件相比,它非常易於驅動,其優良指數RDSA與晶片面積的歸一化導通電阻非常出色(圖2)。該元件由於採用垂直結構,具有極低的內部電容,使得開關轉換損耗極低,SiC FET具有非常快的本體二極體,可減少馬達驅動等應用中的損耗,並且不需要使用外部SiC蕭特基二極體。

20190903TA31P2 圖2 SiC FET(級聯)RDSA——晶片面積歸一化導通電阻比較。

應用於電動車驅動的SiC FET

那麼,既然要推動更高性能的解決方案,這些優異的設備為什麼還沒有進軍電動車馬達控制市場呢?除了汽車系統設計師的自然保守之外,還有一些實際的原因:與具有相似級別的IGBT相比,寬能隙元件被認為比較昂貴;馬達電感不會像DC-DC轉換器那樣依比例縮小,從而使更高的開關頻率變得沒那麼有吸引力;高開關速度意味著高dV/dt速率,這可能會對馬達繞組的絕緣造成壓力。此外,當馬達驅動處於惡劣條件或一般高溫環境下時,寬能隙元件具有潛在的短路問題和反電動勢(EMF)等,使得其可靠性也令人不免懷疑。

寬能隙元件真正的誘惑是提高效率的可能性,這意味著更多的可用能量和更遠的里程。散熱器可以更小,這樣可以降低成本和重量,同時也有助於擴大里程,與具有「拐點」電壓的IGBT相比,寬能隙元件在典型操作條件下效率尤其得到改善,從而有效實現了所有驅動條件下的最小功耗。如圖3所示,使用兩個1cm×1cm IGBT晶片的200A、1,200V IGBT模組與使用兩個0.6×0.6cm SiC堆疊級聯晶片的 200A、1,200V SiC FET模組進行比較。

20190903TA31P3 圖3 面積僅是IGBT晶片36%的1,200V SiC FET的傳導損耗。該200A、1,200V模組中,對於室溫和高溫下所有低於200A的電流,SiC FET的導通壓降都遠低於IGBT壓降。

SiC FET具有的獨特性能使它能夠在給定模組佔位面積內提供最低傳導損耗。當然,在全新設計中,寬能隙馬達驅動器的切換頻率也高於具有足夠EMI控制設計的IGBT,從而實現寬能隙元件的所有優勢。即便其成本高也不應成為未來擔憂的問題,例如,SiC FET的晶片比同等級別的IGBT或SiC MOSFET小很多,這意味著每片晶圓的產能更高,如果再考慮用更小的散熱器和篩檢程式以節省成本,那這一切看起來都極具經濟和實用意義。

SiC FET可靠性已被驗證

現在剩下的就是對可靠性的擔憂了,對於某些寬能隙設備來說的確有此問題。例如,SiC MOSFET和GaN元件對閘極電壓極其敏感,其絕對最大值非常接近推薦的工作條件極限值,但SiC FET則容許較寬範圍的閘極電壓,寬裕量可達絕對最大值。

短路額定值可能是電動車馬達驅動器的關注點,它以IGBT的強健性作為基準,當然,GaN元件在這方面表現不佳,而SiC FET則成績優異。與SiC MOSFET或IGBT不同,內建JFET元件的垂直通道中存在一種自然的「夾斷」機制,它可以限制電流並使短路閘極驅動電壓相對獨立。SiC JFET允許的高峰值溫度也延長了短路持續時間,在汽車應用中,一般期望短路在保護機制啟動之前應經受5μs的考驗。來自UnitedSiC的650V SiC FET測試顯示,使用400V DC匯流排至少可承受8μs短路考驗(圖4),在100次短路事件和高溫之後,導通電阻或閘極閾值無降級。

20190903TA31P4 圖4 SiC FET的短路性能。

馬達驅動應用中的另一個應力是來自馬達的反電動勢。同樣,GaN表現不佳再次失分,但SiC FET則具有非常好的雪崩耐量,其內建JFET導通以在其閘極汲極結斷開時鉗位電壓。UnitedSiC進行的更多測試顯示,在150℃的環境中經過1,000小時的雪崩測試,SiC FET元件均無故障發生,100%通過雪崩耐受力生產測試。

令人信服的案例

現代寬能隙元件,例如來自UnitedSiC的SiC FET,是下一代電動車馬達驅動器的實力競爭者,可滿足在苛刻環境中提供更出色的性能、整體成本節約,以及經過經驗證的強健操作性。因此,SiC將極可能成為未來十年動力傳動系統的主導者。

(參考原文: SiC switches in electric vehicles – will they dominate the drivetrain?,by Anup Bhala)

本文同步刊登於EE Times Taiwan 9月號雜誌