SiCMOSFET在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用王東萃

技術(shù)導(dǎo)向SiCMOSFET在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用王東萃崔宇航于雷(上海捷能汽車技術(shù)有限公司，上海201804)【摘要】在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，整車?yán)m(xù)航對(duì)客戶的體驗(yàn)至關(guān)重要。隨著SiCMOSFET技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電驅(qū)系統(tǒng)零部件供應(yīng)商開始應(yīng)用SiCMOSFET功率器件，以提升整車?yán)m(xù)航能力。文章在分析了SiC材料特性的基礎(chǔ)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(tái)下的IGBT模塊進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，證明了其在效率和整車?yán)m(xù)航方面有著巨大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，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(huì)使得SiCMOSFET在EMC和應(yīng)用方面面臨一定的挑戰(zhàn)。T【關(guān)鍵詞】SiCMOSFET電機(jī)控制器續(xù)航里程電動(dòng)汽車在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，整車?yán)m(xù)航對(duì)客戶的體驗(yàn)至關(guān)重要。電動(dòng)汽車制造商一方面通過布置更大容量的電池來實(shí)現(xiàn)更高的續(xù)航;另一方面，從提升電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率和降低整車的阻力來提升續(xù)航能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)零部件供應(yīng)商開始應(yīng)用SiC技術(shù)來提升電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。SiCMOSFET屬于第三代寬禁帶功率半導(dǎo)體，目前各大半導(dǎo)體廠商包含國(guó)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，其能帶寬度可達(dá)2.2－3.3eV，的溫度更高，一般而言，SiC器件所能達(dá)到的最大的封裝技術(shù)可以做到200℃)，相比于第二代功率半導(dǎo)體的150℃有了一定的提升。·36·08技術(shù)導(dǎo)向圖1SiC材料與Si材料性能對(duì)比穿場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)成反比，故在相似的功率等級(jí)下，SiC器件的導(dǎo)通損耗比Si器件小很多。并且，SiC器件導(dǎo)通損耗對(duì)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(guān)速度快。SiC的熱導(dǎo)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(dǎo)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(duì)于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言，更高的效率、更高的工作電壓和更高的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最重要的發(fā)展方向之一[3]。場(chǎng)上的應(yīng)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(yīng)商都被國(guó)際半導(dǎo)STEL等，國(guó)外半導(dǎo)體廠商掌握著SiC底材的定價(jià)底材生成、模塊設(shè)計(jì)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(gè)重要原因在于襯底生長(zhǎng)緩慢、產(chǎn)量低且良品率低。但是，很多廠家對(duì)其成本的降低都有著很樂觀的預(yù)期[4]，預(yù)計(jì)，可以達(dá)到Si器件價(jià)格的1.5倍左右，屆時(shí)SiC器件將會(huì)迎來大規(guī)模的應(yīng)用。圖2SiC產(chǎn)業(yè)鏈主要公司信息SiCMOSFET應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)SiCMOSFET在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更高的效率，但其快速的開關(guān)速度對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提出了較高的要求，尤其是整個(gè)系統(tǒng)的雜散電感，在快速的開關(guān)速度下會(huì)造ve圖3)，對(duì)SiCMOSFET應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。2.1SiCMOSFET逆變器FS03MR12A6MA1B是英飛凌公司的新一代損耗和導(dǎo)通電阻，模塊的雜散電感小于10nH，可V平臺(tái)下的SiCMOSFET逆變器，能夠?qū)崿F(xiàn)峰值電08·37·技術(shù)導(dǎo)向優(yōu)化了電源系統(tǒng)、保護(hù)電路、寄生電感等部分，如0Arms下的電流波形和熱成像結(jié)果。2.2SiC應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)ArmsBTFS開關(guān)特性對(duì)比工況型號(hào)VA電流的工損耗下降了32.6%。兩種工況下關(guān)斷損耗的下降為了更加直觀地比較兩種功率器件對(duì)車輛續(xù)續(xù)航的效率和續(xù)航里程仿真。仿真結(jié)果如表2所綜合續(xù)航提升了8.6%。對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，將有著非常大的收益。對(duì)于一輛使用80kW·h電池·38·08技術(shù)導(dǎo)向包的純電動(dòng)車輛，使用SiC器件就相當(dāng)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(tái)SiCMOSFET(FS03)和SiIGBT(FS380)續(xù)航仿真結(jié)果對(duì)比某B級(jí)后驅(qū)車方案方案2.3SiC應(yīng)用的挑戰(zhàn)SiCMOSFET在效率和續(xù)航方面擁有一定的優(yōu)勢(shì)，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(yīng)能力，很容易發(fā)生電流(b)為關(guān)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(guān)時(shí)刻的電氣振蕩要比IGBT嚴(yán)重得多，這些特性對(duì)于汽車級(jí)應(yīng)用和EMC方面都存在很大的挑戰(zhàn)。(a)開通電流振蕩(b)關(guān)斷電壓振蕩(c)二極管振蕩電壓圖6SiCMOSFET模塊開關(guān)電流和電壓振蕩曲線3結(jié)語FET在性能上有著非常突出的優(yōu)勢(shì)，未來對(duì)于純電動(dòng)汽車的續(xù)航提升起著至關(guān)重要的作用。同時(shí)，針對(duì)SiC的產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行了一定的分析，由于國(guó)際少數(shù)供應(yīng)商把控SiC底材的定價(jià)權(quán)和SiC襯底良品率低等原因，目前SiC器件的成本相比于IG-時(shí)SiCMOSFET將迎來大規(guī)模的應(yīng)用。一套300kW的車用逆變器，與相同平臺(tái)下的IG-BT模塊進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，證明了其在效率和整車?yán)m(xù)航方面有著巨大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，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(huì)使得SiCMOSFET在EMC和應(yīng)用方