SiCMOSFET在電動汽車領域的應用王東萃

技術導向SiCMOSFET在電動汽車領域的應用王東萃崔宇航于雷(上海捷能汽車技術有限公司，上海201804)【摘要】在電動汽車領域，整車續(xù)航對客戶的體驗至關重要。隨著SiCMOSFET技術的發(fā)展，越來越多的電驅(qū)系統(tǒng)零部件供應商開始應用SiCMOSFET功率器件，以提升整車續(xù)航能力。文章在分析了SiC材料特性的基礎上，采用英飛凌的SiCMOSFET模塊，開發(fā)了一套300kW的車用逆變器，通過與相同平臺下的IGBT模塊進行對比測試，證明了其在效率和整車續(xù)航方面有著巨大優(yōu)勢。同時，在開發(fā)的過程中也發(fā)現(xiàn)了SiCMOSFET在電氣性能上存在電流和電壓震蕩現(xiàn)象，這會使得SiCMOSFET在EMC和應用方面面臨一定的挑戰(zhàn)。T【關鍵詞】SiCMOSFET電機控制器續(xù)航里程電動汽車在電動汽車領域，整車續(xù)航對客戶的體驗至關重要。電動汽車制造商一方面通過布置更大容量的電池來實現(xiàn)更高的續(xù)航;另一方面，從提升電驅(qū)動系統(tǒng)的效率和降低整車的阻力來提升續(xù)航能驅(qū)動系統(tǒng)零部件供應商開始應用SiC技術來提升電驅(qū)動系統(tǒng)的效率。SiCMOSFET屬于第三代寬禁帶功率半導體，目前各大半導體廠商包含國產(chǎn)功率模塊廠商，都相比于以Si材料為主的第二代功率半導體，SiC(1)耐高溫。SiC材料在物理特性上擁有高度穩(wěn)定的晶體結構，其能帶寬度可達2.2－3.3eV，的溫度更高，一般而言，SiC器件所能達到的最大的封裝技術可以做到200℃)，相比于第二代功率半導體的150℃有了一定的提升?！?6·08技術導向圖1SiC材料與Si材料性能對比穿場強是Si材料的10倍多，因此SiC器件的阻斷電壓比Si器件高很多。耗與其擊穿場強成反比，故在相似的功率等級下，SiC器件的導通損耗比Si器件小很多。并且，SiC器件導通損耗對溫度的依存度很小，隨溫度的變化也很小，這與傳統(tǒng)的Si器件也有很大差別。(4)開關速度快。SiC的熱導系數(shù)幾乎是SiSiC器件能在更高的頻率下工作。有著更低的導通損耗、更高的工作頻率和更高的工作電壓。隨著新能源汽車的發(fā)展，對于電驅(qū)動系統(tǒng)而言，更高的效率、更高的工作電壓和更高的驅(qū)動系統(tǒng)最重要的發(fā)展方向之一[3]。場上的應用并未普及，其主要原因在于SiCMOS-FET現(xiàn)階段的成本依然較高。在2021年量產(chǎn)的成熟的SiC底材生成能力的供應商都被國際半導STEL等，國外半導體廠商掌握著SiC底材的定價底材生成、模塊設計和封裝環(huán)節(jié)也具備了一定的能力，但整體距離世界一流水平還有一定差距。SiCMOSFET的成本較高，還有一個重要原因在于襯底生長緩慢、產(chǎn)量低且良品率低。但是，很多廠家對其成本的降低都有著很樂觀的預期[4]，預計，可以達到Si器件價格的1.5倍左右，屆時SiC器件將會迎來大規(guī)模的應用。圖2SiC產(chǎn)業(yè)鏈主要公司信息SiCMOSFET應用的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)SiCMOSFET在實際應用過程中，可以實現(xiàn)更快的開關速度和更高的效率，但其快速的開關速度對驅(qū)動電路的設計提出了較高的要求，尤其是整個系統(tǒng)的雜散電感，在快速的開關速度下會造ve圖3)，對SiCMOSFET應用的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)進行詳細闡述。2.1SiCMOSFET逆變器FS03MR12A6MA1B是英飛凌公司的新一代損耗和導通電阻，模塊的雜散電感小于10nH，可V平臺下的SiCMOSFET逆變器，能夠?qū)崿F(xiàn)峰值電08·37·技術導向優(yōu)化了電源系統(tǒng)、保護電路、寄生電感等部分，如0Arms下的電流波形和熱成像結果。2.2SiC應用的優(yōu)勢ArmsBTFS開關特性對比工況型號VA電流的工損耗下降了32.6%。兩種工況下關斷損耗的下降為了更加直觀地比較兩種功率器件對車輛續(xù)續(xù)航的效率和續(xù)航里程仿真。仿真結果如表2所綜合續(xù)航提升了8.6%。對于純電動汽車而言，將有著非常大的收益。對于一輛使用80kW·h電池·38·08技術導向包的純電動車輛，使用SiC器件就相當于節(jié)約了6.88kW·h的電池，或者在使用同樣電池的情況表2800V平臺SiCMOSFET(FS03)和SiIGBT(FS380)續(xù)航仿真結果對比某B級后驅(qū)車方案方案2.3SiC應用的挑戰(zhàn)SiCMOSFET在效率和續(xù)航方面擁有一定的優(yōu)勢，但是在電氣性能方面依然存在著很大的挑戰(zhàn)。由于其更快速的響應能力，很容易發(fā)生電流(b)為關斷電壓振蕩，(c)為二極管振蕩電壓，其尖峰控制到了856V。從這3幅圖可以明顯地看出SiCMOSFET開關時刻的電氣振蕩要比IGBT嚴重得多，這些特性對于汽車級應用和EMC方面都存在很大的挑戰(zhàn)。(a)開通電流振蕩(b)關斷電壓振蕩(c)二極管振蕩電壓圖6SiCMOSFET模塊開關電流和電壓振蕩曲線3結語FET在性能上有著非常突出的優(yōu)勢，未來對于純電動汽車的續(xù)航提升起著至關重要的作用。同時，針對SiC的產(chǎn)業(yè)鏈進行了一定的分析，由于國際少數(shù)供應商把控SiC底材的定價權和SiC襯底良品率低等原因，目前SiC器件的成本相比于IG-時SiCMOSFET將迎來大規(guī)模的應用。一套300kW的車用逆變器，與相同平臺下的IG-BT模塊進行了對比測試，證明了其在效率和整車續(xù)航方面有著巨大優(yōu)勢。同時，在開發(fā)過程中也發(fā)現(xiàn)了SiC在電氣性能上存在著電流和電壓震蕩現(xiàn)象，這會使得SiCMOSFET在EMC和應用方