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技术推荐:SiC达到了xEV系统的性能目标

2019-11-20 13:28 来源:电源网编译 编辑:咩咩

插电式混合动力汽车(PHEV)和全电动汽车(EV)的市场持续增长。这些类别的车辆有时统称为xEV,其中包含许多电力电子设备,其中大多数基于当今的硅技术。然而,最先进的xEV设计要求电力电子解决方案能够实现比常规硅结构所能提供的更高的效率和更高的功率密度。

碳化硅(SiC)可以克服硅的结构限制,从而提供以前无法达到的性能水平。 SiC的优势包括低开关损耗,低漏源导通电阻(RDS(on)),高工作温度和高开关频率。这些功能使SiC功率器件适合于满足最严格的汽车要求。

与传统的基于硅的解决方案相比,基于SiC的电源解决方案更加高效,轻巧和紧凑。与最佳的基于硅的替代产品相比,SiC功率晶体管能够以高达五倍的频率开关,而栅极电压则高达两倍。因此,基于SiC器件的栅极驱动器的设计需要特别注意,特别是在瞬态期间产生的影响,导通状态(导通)下的性能水平以及寄生电容方面。

碳化硅关键特性

与基于硅的替代品相比,采用SiC技术构建的MOSFET功率晶体管具有更宽的带隙,这又意味着更大的击穿电压。实际上,在碳化硅中,电子从价带移动到导带的能量是硅的三倍。这使SiC MOSFET的击穿场强比硅等效器件高10倍。该特性带来的另一个好处是可以极大地减小通道的厚度,从而降低RDS(on)。

SiC MOSFET在饱和阶段的行为也有所不同,并且在导通和饱和状态之间没有明确定义的过渡。当栅极-源极电压(VGS)超过某个阈值(用作压控电流源)时,可以认为硅MOSFET处于完全导通状态(导通状态),而碳化硅MOSFET通常具有较低的跨导并且表现得像压控可变电阻。所描述的行为如图1所示,该图比较了SiC MOSFET和硅基IGBT的输出特性(在给定温度下)。请注意,在SiC晶体管中,导通和截止状态之间存在平滑过渡,而在IGBT中,这种过渡更为陡峭。

SiC达到了xEV系统的性能目标

图1:SiC和硅器件之间的输出特性比较(图片:ROHM Semiconductor)

随着栅极电压的升高,RDS(on)继续降低,直到达到VGS(max)设置的极限。由于取决于特定器件的VGS(max)通常在18至25 V范围内,因此栅极驱动器应能够提供15 V至20至22 V之间的电压。与IGBT不同,SiC MOSFET不具有任何处于关断状态的尾电流,因此都能够实现更高的开关速率而不会遭受功率损耗。碳化硅MOSFET的开关频率可以高达硅器件的开关频率的五倍,因此有可能使用更小的无源元件。

较高的开关频率还在栅极驱动器的设计阶段提出了一些额外要求,不仅需要产生更大的VGS来使器件进入导通状态(使RDS(on)最小化),而且还必须提供非常快的输出压摆率(每纳秒几伏),以便非常快速地对栅极电路的电容进行充电和放电。这种类型的要求给设计人员带来了巨大挑战,他们必须应对非常快的上升沿和电荷的快速移动。这些会导致不良影响,例如过冲,振铃以及能够产生寄生开关的大电压瞬变。

本文编译自eetimes。

标签: SiC EV MOSFET

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