图2:SiC FET(共源共栅)RDSA - 芯片面积归一化导通电阻比较
应用于电动汽车驱动的SiC FET
那么,既然要推动更高性能的解决方案,这些优异的器件为什么还没有进军EV电机控制市场呢?除了汽车系统设计师的自然保守之外,还有一些实际的原因:与具有相似级别的IGBT相比,WBG器件被认为比较昂贵;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变得没那么有吸引力;高开关速度意味着高dV/dt速率,这可能会对电机绕组的绝缘造成压力。此外,当电机驱动处于恶劣条件或一般高温环境下时,WBG器件具有潜在的短路问题和反电动势(EMF)等,也使得其可靠性不免令人怀疑。
WBG器件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远的里程。散热器可以更小,这样可以降低成本和重量,同时也有助于扩大里程。与具有“拐点”电压的IGBT相比,WBG器件在典型操作条件下效率尤其得到改善,从而有效实现了所有驱动条件下的最小功耗。如下图3所示,我们将使用两个1cmX1cm IGBT芯片的200A、1200V IGBT模块与使用两个0.6 X 0.6cm SiC堆叠共源共栅芯片的 200A、1200V SiC FET模块进行比较。
图3:面积仅是IGBT芯片36%的1200V SiC FET的传导损耗。该200A、1200V模块中,对于室温和高温下所有低于200A的电流,SiC FET的导通压降都远低于IGBT压降。
SiC FET具有的独特性能使它能够在给定模块占位面积内提供最低传导损耗。当然,在全新设计中,WBG电机驱动器的切换频率也高于具有足够EMI控制设计的IGBT,从而体现WBG的所有优势。即便其成本高也不应成为未来担忧的问题,例如,SiC FET的芯片比同等级别的IGBT或SiC MOSFET小很多,这意味着每片晶圆的产能更高,如果再考虑用更小的散热器和过滤器以节省成本,那这一切看起来都极具经济和实用意义。
SiC FET可靠性已被验证
现在剩下的就是对可靠性的担忧了,对于某些WBG设备来说的确有此问题。例如,SiC MOSFET和GaN器件对栅极电压极其敏感,其绝对最大值非常接近推荐的工作条件极限值。但SiC FET则容许较宽范围的栅极电压,其宽裕量达至绝对最大值。
短路额定值可能是EV电机驱动器的关注点,它以IGBT的鲁棒性作为基准。当然,GaN器件在这方面表现不佳,而SiC FET则成绩优异。与SiC MOSFET或IGBT不同,内置JFET器件的垂直沟道中存在一种自然的“夹断”机制,它可以限制电流并使短路栅极驱动电压相对独立。SiC JFET允许的高峰值温度也延长了短路持续时间。在汽车应用中,一般期望短路在保护机制启动之前应经受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短路考验(图4),在100次短路事件和高温之后,导通电阻或栅极阈值无降级。