如今，越來越多的汽車制造商涉足電動(dòng)汽車 （EV） 開發(fā)，但是電動(dòng)汽車的駕程過短卻始終是個(gè)問題。盡管采用空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、更輕質(zhì)的材料、更高效的功耗等方法確有成效，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。汽車電力電子設(shè)計(jì)人員還需要使用先進(jìn)的寬帶隙半導(dǎo)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(duì)硅（Si） 金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 和絕緣柵雙極晶體管（IGBT） 等現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)的改進(jìn)。因而，由這些材料制成的半導(dǎo)體損耗更低、開關(guān)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(jiān)固耐用。隨著汽車行業(yè)轉(zhuǎn)向使用容量更高、充電時(shí)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(shù)及其在汽車EV電子領(lǐng)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(duì)其應(yīng)用予以指導(dǎo)。

WBG半導(dǎo)體的優(yōu)勢

先來回顧一下，帶隙是將電子從材料的價(jià)帶激發(fā)躍遷至導(dǎo)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(dǎo)體導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的帶隙比SiC和GaN窄，因此后兩者才獲得“寬帶隙半導(dǎo)體”的命名。（圖片來源：STMicroelectronics）

相比傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體，WBG半導(dǎo)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(guān)和傳導(dǎo)損耗都更低。WBG材料的導(dǎo)通和開關(guān)特性約為Si材料的十倍。這些能力促成了WBG技術(shù)與電力電子技術(shù)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(yīng)更快、能效更高。

然而，WBG器件雖優(yōu)勢盡顯，設(shè)計(jì)人員卻不得不將其與制造的復(fù)雜性和大批量生產(chǎn)的高成本進(jìn)行利弊權(quán)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(huì)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?qū)α骼鋮s），最終降低了總成本。

SiC應(yīng)用于主逆變器

在EV中控制牽引電機(jī)的牽引逆變器是EV關(guān)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(zhuǎn)換為三相交流波形以驅(qū)動(dòng)EV電機(jī)，然后將再生制動(dòng)產(chǎn)生的交流電壓轉(zhuǎn)換回直流電壓來為電池充電。由于逆變器將存儲(chǔ)在電池組中的能量轉(zhuǎn)換為交流以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因而能量轉(zhuǎn)換損失越低，系統(tǒng)能效越高。與硅相比，SiC器件的電導(dǎo)率更大、開關(guān)頻率更快，從而功耗更低，因?yàn)橐詿崃啃问綋p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(yuǎn)。

大電流功率模塊通常采用IGBT類型，將Si IGBT與Si快速恢復(fù)二極管 （FRD） 相結(jié)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(guān)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?yàn)闋恳孀兤餍枰獋鬏敶罅磕芰苛魅牒土鞒鲭姵亍?/p>

原因如下：由于IGBT是開關(guān)元件，開關(guān)速度（導(dǎo)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間）是影響能效（損耗）的關(guān)鍵參數(shù)之一。對(duì)于IGBT而言，可實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓下的低電阻卻得以犧牲開關(guān)性能為代價(jià)；器件關(guān)斷期間存在“耗散時(shí)間”，而這會(huì)增加開關(guān)損耗。因此IGBT的能效相對(duì)較低。若逆變器模塊用MOSFET替代IGBT，則可以實(shí)現(xiàn)更高的能效，因?yàn)镸OSFET的關(guān)斷時(shí)間更短、工作頻率更高。然而，Si MOSFET也存在問題，其“導(dǎo)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(shí)具備電源開關(guān)的四個(gè)理想特性：

高電壓

低導(dǎo)通電阻

開關(guān)速度快

低開關(guān)損耗（特別是關(guān)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(dāng)即可達(dá)到200℃或更高。

對(duì)于SiC肖特基勢壘二極管 （SBD），在SiC SBD中會(huì)利用SiC半導(dǎo)體-金屬結(jié)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(huì)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(yīng)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(fù)損耗，只是少量的電容充電損耗。研究表明，SiC SBD的開關(guān)損耗比Si快恢復(fù)二極管降低90%，后者的結(jié)溫會(huì)影響恢復(fù)電流和恢復(fù)時(shí)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(dāng)?shù)?。FoM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(diǎn)。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(shí)，這種傳導(dǎo)損耗會(huì)導(dǎo)致熱擊穿。

然而，結(jié)合SiC MOSFET與SBD使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠提高能效，降低散熱器的尺寸和成本，提高開關(guān)頻率以減小磁性元件尺寸，從而降低最終設(shè)計(jì)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(fù)損耗引起的開關(guān)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(dá)1700V，導(dǎo)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)鑒定。該器件恢復(fù)時(shí)間短、開關(guān)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(yīng)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(dòng)汽車制造商，特斯拉 （Tesla） 在特斯拉3型轎車中采用了這項(xiàng)技術(shù)。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(jìn)行散熱。

EV的充電設(shè)備在工廠已安裝就緒，稱為“車載充電器”（OBC）。通過家中或個(gè)人/公共充電站的插座，EV或插電式混合動(dòng)力EV（PHEV） 的OBC即可利用交流電源為電池充電。OBC使用AC/DC轉(zhuǎn)換器將50/60Hz的交流電壓（100至240V）轉(zhuǎn)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(yīng)用中，SiC二極管可作為升壓二極管用于PFC級(jí)，或與N溝道IGBT并聯(lián)構(gòu)成圖騰柱PFC。（圖片來源：InfineonTechnologies）

GaN憑借高能效廣受青睞

OBC的設(shè)計(jì)要求最大限度地提高能效和可靠性以確?？焖俪潆?，同時(shí)滿足EV制造商對(duì)空間和重量的限制要求。使用GaN技術(shù)的OBC設(shè)計(jì)可以簡化EV冷卻系統(tǒng)，縮短充電時(shí)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(guān)損耗更低、開關(guān)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)鑒定。這款GaN FET在鑒定測試時(shí)的溫度高達(dá)175℃（圖4）。該器件采用標(biāo)準(zhǔn)TO-247封裝，導(dǎo)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(dòng)力電動(dòng)汽車和電池EV的AC/DC OBC、DC/DC轉(zhuǎn)換器和DC/AC逆變器系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)AC/DC圖騰柱無橋PFC設(shè)計(jì)。

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(guān)損耗。在這種情況下，甚至連布局也會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。布局時(shí)，推薦最大限度地簡化柵極驅(qū)動(dòng)回路，縮短開關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的印制線長度，以實(shí)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(shí)現(xiàn)整個(gè)電路的接地電位均勻。布局時(shí)務(wù)必將電源地和IC（小信號(hào)）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(dòng)力和電動(dòng)汽車的OBC應(yīng)用而開發(fā)，是該公司IGBT和CoolMOS產(chǎn)品系列的補(bǔ)充，可滿足650V級(jí)汽車應(yīng)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(shù)，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(shí)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(fù)載條件下均可將 OBC 能效提高一個(gè)百分點(diǎn)。

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(gè)潛在問題在于驅(qū)動(dòng)要求與IGBT器件截然不同。雖然大多數(shù)晶體管的驅(qū)動(dòng)通常使用對(duì)稱電源軌（如±5V），但SiC器件需要較小的負(fù)電壓以確保完全關(guān)斷，因此需要不對(duì)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(dǎo)熱特性亦出類拔萃，但是SiC元器件常使用為Si器件設(shè)計(jì)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(yīng)用于高頻電路，寄生電容和電感就會(huì)相應(yīng)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(shí)現(xiàn)了所需的性能，同時(shí)還消除了引線鍵合以避免器件自身的可靠性問題。

柵極驅(qū)動(dòng)器這一關(guān)鍵元件主要用作控制器與功率器件之間的接口。對(duì)于采用新器件的電子設(shè)計(jì)人員而言，柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)始終是個(gè)難題，因此了解SiC和GaN功率器件的驅(qū)動(dòng)方式就顯得尤為重要。具體要求是：

供電電壓高，通過低傳導(dǎo)損耗實(shí)現(xiàn)高能效

驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度高，實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗

快速短路保護(hù)

傳播延遲和變化較小，實(shí)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(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)MOSFET驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)。GaN FET是橫向器件，因此所需的最佳驅(qū)動(dòng)電壓相對(duì)較低。總而言之，GaN器件的柵極驅(qū)動(dòng)要求與SiMOSFET和IGBT類似。具體要求包括：

柵極電荷較低 - 驅(qū)動(dòng)損耗較低，上升和下降時(shí)間較短

柵極電壓較低

負(fù)電壓以提高柵極驅(qū)動(dòng)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(yīng)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(dāng)前的設(shè)計(jì)。

總結(jié)

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(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用更先進(jìn)的WBG半導(dǎo)體，如SiC和GaN。與傳統(tǒng)硅器件相比，WBG半導(dǎo)體的損耗更低、開關(guān)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(jiān)固耐用。

GaN和SiC可在更高的溫度下工作，預(yù)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(shè)計(jì)工程師提供了不同的設(shè)計(jì)方案，具體取決于應(yīng)用要求。

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

編輯：jq