宽带隙（WBG）半导体正在各种类型的功率转换中得到应用，包括在电动车辆中。凭借其更高效率和更快切换速度的承诺，可以节省成本，尺寸和能源，WBG设备通常用于充电器和辅助转换器，但尚未在牵引逆变器中大量取代IGBT。本文介绍了最新一代SiCFET如何理想地适用于新型逆变器设计，其损耗低于IGBT，并且即使在高温和重复应力下也能证明其对短路的稳健性。
1900年美国38％的汽车是电动汽车
是的，你读得对，这是真的。在1900年的所有美国汽车中，38％（33,842）由电力驱动，40％用蒸汽驱动，22％用汽油驱动。然而，当亨利福特大规模生产廉价的汽油动力汽车时，百分比急剧下降。如今，道路上的电动汽车百分比不到1％，但据预测，到2050年，美国65％-75％的轻型汽车将由电力驱动。
自1997年丰田普锐斯进入日本街道以来，现代电动汽车（EV）已经大幅改进。现在，精密的电池和电机技术可以提供300英里甚至更多的范围。然而，对2050年预测的电动汽车的应用确实依赖于某些假设：购买可承受性;持续的高油价;更严格的健康和环境法规以及进一步的技术进步，以实现更好的路程和更快的充电。
EV具有从电池能量到车轮动力的59％-62％的转换效率，似乎提供了一些改进的余地。电气工程师可能会睁大眼睛，并指出现代内燃机正在努力达到21％，但至少有一个可能的路线图，以提高电动汽车的性能，新的半导体开关可用于动力传动系统。
更好的范围的关键是功率转换的效率。这不仅仅体现在电机驱动电子设备中 – 在照明，空调甚至信息娱乐系统等辅助功能中也使用了大量能源。因此，通过各种措施减少这些区域的吸引力已经付出了很多努力，例如使用LED来运行灯。降低主电池电压的各种电源转换器，通常为400 V至12 V或24 V，这些功能现在可以包括最新的拓扑结构和特殊的半导体，以实现最佳效率，同时具有非安全可接受的新技术固有的风险的关键应用见（图1）。
图1.电动汽车的动力转换部件（图片来源：美国能源部）
对于动力传动系统，电机控制电子设备被认为是生命攸关的，因此设计师被迫“安全”并坚持使用久经考验的技术。实际上，这意味着使用IGBT开关已经证明其30多年的稳健性。例如，在特斯拉型号S的高科技外观下面是用于控制牵引电机的TO-247封装的66个IGBT。在20世纪80年代的工业过程控制器中，相同的IGBT将非常普遍。较新的型号刚刚开始使用SiC FET。
宽带隙半导体现在是电机控制的有力竞争者
在许多现代应用中，IGBT已经被更新的技术所取代，例如硅MOSFET和现在采用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料制造的宽带隙（WBG）半导体。主体优势是更快的切换意味着更小的外部组件，如磁性元件和电容器。这种组合提供更高的效率，更小的尺寸和重量，从而降低总体成本。 WBG器件也可在高温下工作，对于SiC而言通常为200℃，峰值温度允许超过600℃，具体取决于器件。
SiCFET引物以及它们如何得分
特定类型的WBG器件是SiC FET，SiC JFET和Si MOSFET的复合或“共源共栅”，其通常为OFF而没有偏压并且可以在纳秒内切换。与SiC MOSFET和GaN器件相比，它非常易于驱动，其品质因数RDSA与芯片面积的归一化导通电阻非常出色（图2）。该器件由于采用垂直结构，具有极低的内部电容，使开关转换极低损耗。 SiC FET具有非常快的体二极管，可减少电机驱动等应用中的损耗，并且不需要使用外部SiC肖特基二极管。
图2.SiC FET（共源共栅）RDSA – 通过芯片面积比较归一化导通电阻
电动汽车驱动中的SiC FET
那么，为什么在推动更高性能的解决方案时，这些奇迹设备还没有进入EV电机控制？除了汽车系统设计师的自然保守性之外，还有一些实际的原因：与具有相似额定值的IGBT相比，WBG设备被认为是昂贵的;电动机电感不会像DC-DC转换器那样按比例缩小，从而使更高的开关频率更具吸引力;高开关速度意味着高dV / dt速率，可以强调电机绕组的绝缘。此外，通常在电机驱动的恶劣条件下，WBG设备的可靠性存在令人不安的疑问，其具有潜在的短路，反电动势和一般的高温环境。
真正的诱惑是提高效率的可能性。这意味着更多的可用能量和更好的范围。散热器可以更小，降低成本和重量，这又有助于扩大范围。与具有“拐点”电压的IGBT相比，在典型工作条件下效率得到特别改善，从而有效地提供了在所有驱动条件下都存在的最小功率损耗。如下图3所示，我们使用两个1cmX1cmIGBT芯片与200A，1200V SiC FET模块和两个0.6 X 0.6cm SiC堆叠共源共栅芯片比较200A，1200V IGBT模块。
图3.使用36％IGBT芯片面积的1200V SiC FET的传导损耗。在这个200A，1200V模块中，在室温和高温下，对于所有低于200A的电流，SiC FET的导通压降远低于IGBT压降。
SiC FET能够在给定的模块占位面积内提供最低的传导损耗。当然，在全新设计中，WBG电机驱动器的切换频率可以高于具有足够EMI设计的IGBT，从而实现WBG的所有优势。即使成本也不应成为未来的问题。例如，SiC FET的芯片比同等额定值的IGBT或SiC MOSFET小得多，这意味着每个晶圆的产量更高，如果考虑到更小的散热器和滤波器的成本节省，这一切都开始具有良好的经济和实用意义。
SiCFET已被证明具有可靠性
我们现在留下了对可靠性的担忧 – 对于某些WBG设备来说非常有效。例如，SiC MOSFET和GaN器件对栅极电压极其敏感，绝对最大值非常接近推荐的工作条件。另一方面，SiC FET容许宽范围的栅极电压，具有宽裕量至绝对最大值。
短路额定值可能是EV电机驱动器的主要问题，其中IGBT是稳健性的基准。当然，GaN器件在这方面表现不佳，但SiC FET的分数也是如此。内置JFET器件的垂直沟道中存在一种自然的“夹断”机制，与SiC MOSFET或IGBT不同，它可以限制电流并使短路栅极驱动电压独立。 SiC JFET允许的高峰值温度也允许延长短路持续时间。在汽车应用中，预计在保护机制启动之前，短路应经受5μs的考验。来自UnitedSiC的650 V SiC FET测试显示，使用400 V DC总线至少可承受8μs（图4），无降级100次短路事件和高温后的导通电阻或栅极阈值。
图4.SiC FET的短路性能
电机驱动应用中产生的另一个应力是来自电机的反电动势。 同样，GaN并不是不受影响的，但是SiCFET具有非常好的雪崩额定值，内部JFET导通以在其栅极漏极结断开时钳位电压。 UnitedSiC进行的更多测试表明，在150℃下雪崩的SiC FET部件1000小时没有发生故障，雪崩能力的100％产品测试作为逆止器。
令人信服的案例
现代宽带隙器件，例如来自UnitedSiC的SiC FET，是下一代EV电机驱动器的真正竞争者，可满足在这种苛刻环境中更好的性能，整体成本节省和经过验证的稳健操作的需求。 因此，预计未来十年碳化硅将成为动力传动系统的主导。
