欢迎访问上海萱鸿电子科技有限公司官网!

搜索
您当前所在位置:网站首页 > 新闻中心 > 公司新闻
专业的IGBT以及配套驱动专业网上供应商

详解SiC在EV/HEV中的价值,以及如何更好的发挥其价值

发布时间:2019-12-06

浏览次数:117

众所周知决定电动和混合动力电动汽车(EV / HEV)中行驶里程的关键因素是电池,但工程实际需要考虑的是整体电源管理系统——其中包括电机驱动、车载和外部充电器、电源利用率、刹车电能可回收等同样可提高驾驶里程。因此,随着对电动汽车需求持续增长,人们开始重视开发和采用可以优化电动车电池使用并延长汽车行驶里程的改进部件。
从作为功率控制器件的标准MOSFET到基于碳化硅(SiC)的FET,其中的转变代表了提高EV的效率和整体系统级特性的重要步骤。但是,SiC器件需要对其关键规格和驱动要求有新的了解才能充分发挥其优势。
本文从Rohm、TI、PI几家公司的SiC产品入手,概述了EV和HEV的功率要求,解释了为什么基于SiC的功率器件非常适合EV和HEV应用,并阐明了其辅助器件驱动器的功能。
为EV和HEV提供动力
对所有车辆而言,电子动力子系统的需求一直在以指数速度增长,以支持高级驾驶辅助系统(ADAS),电动车窗,车门和后视镜,内部网络,雷达,娱乐系统,GPS等。
普通汽车的主要电源通常是标准的12 V,提供100至200安培小时(Ah)的铅酸电池。然而,与EV电池的要求相比,这还不够,EV电池还需要提供更高容量的“原动机”(prime-mover)电源(图1)。因此,EV中的电池组容量范围为50至150千瓦时(kWh),具体取决于车辆功能,尺寸和供应商,典型电压为200至300伏。


图片.png

图1:EV中基于电池的电源子系统为牵引电机和相关功能提供电源,以及驱动程序的许多标准功能和组件。 (图片来源:ROHM Semiconductor)
除了用于内部功能和充电的小型DC / DC转换器之外,许多(但不是全部的电动车)通过DC/ AC转换器为其牵引电机供电使用AC。牵引电机额定功率范围从低端车辆约150马力(hp)到顶级特斯拉超过500马力。考虑到一马力相当于大约750瓦(W),因此电动机所需的电流和功率都非常大。
虽然许多因素决定了电力子系统的整体有效性,但最重要的是开关稳压器的性能,它们将原始电池电量转换为动力传动系统所需的电压/电流以及电池充电。
原因很简单:在数百安培的电流水平下,功耗下降成为关键参数。例如,在100 A甚至100毫欧(mΩ)的导通电阻(RDS(ON))在两个方面是有害的:首先是10伏的电位损耗,其次是100 W的功率(I2R)耗散。此外,伴随着这些RDS(ON)损耗,DC / AC和DC / DC转换器中的开关损耗也会降低效率及电池寿命,同时增加必要的散热。
为什么要考虑SiC?
静态损耗可以通过降低IR压降和I2R损耗来实现:1)降低导通电阻,2)增加系统工作电压,从而减少电流负载。对于动态开关损耗,任何可以减少这些损耗(与器件物理,开关频率和其他因素相关)的器件改进都将产生巨大影响。
在过去的几十年中,主要的功率开关器件是基于硅(Si)的MOSFET和IGBT。虽然技术进步大大提高了它们的性能,但目前他们的结构已基本稳定。
幸运的是,在过去的几十年中,另一种固态MOSFET工艺技术已经成熟,其中一种是基于碳化硅(SiC)材料而不仅仅是硅,目前存在超过100种不同的SiC多型(独特结构)的结构,但由于生产和加工原因,4H和6H型是最受关注的。
SiC相比Si提供了许多关键的主导属性:
SiC提供的关键电场大约是Si的八倍,因此非常适合功率半导体器件。高介电强度允许更薄的管芯,其可以掺杂到更高的水平,导致更低的损耗。
SiC的导热率约为Si的三倍,因此产生的任何热量都可以通过传导传递,而材料本身的温度降低得多。
SiC具有高熔点,能够在400°C以上工作(标准Si限制在150°C)。这种更高的工作温度大大简化了冷却要求,SiC器件可以在更高的环境温度环境中工作,对散热需求可以相对减低。
SiC支持的最大电流密度是硅器件的两到三倍,因此可以降低元件和系统成本。
如表1所示,标准硅,4H SiC和6H SiC的临界物理级电性能规格明显不同。 SiC的较高带隙能量和临界电场值支持较高的电压操作,而较小的电子和空穴迁移率因素导致较低的开关损耗,使得能够在较高频率下操作(这也导致较小的滤波器和无源元件)。同时,更高的导热性和工作温度则简化了冷却要求。
图片.png

表1:硅的基本材料级别的关键电性能,两种类型的SiC,以及相比之下的金刚石。
SiC的成熟和AEC-Q101认证
然而,SiC器件从理论承诺到实际实现的转变并未快速或轻易地实现。但是在过去的十年中,基于SiC的MOSFET已经发展成熟,经过几代发展,都带来了工艺改进和重大的结构变化。
例如,ROHM半导体公司长期提供其第二代SiC器件,这些器件已广泛应用于汽车应用中。大多数标准SiC MOSFET(包括这些第二代器件)使用的平面结构随着单元尺寸的减小而接近内部FET电阻的下限(图2)。相比之下,ROHM的第三代产品采用在栅极和源极下形成的双沟槽结构,从而可以继续有效地减小沟道尺寸和导通电阻。


图片.png

如图2所示:ROHM的SiC器件从第2代到第3代的转变,包括了工艺增强和主要结构变化。 
采用ROHM的第三代SiC MOSFET,专有的沟槽栅极结构可将导通电阻降低50%,输入电容比现有平面型SiC MOSFET降低35%。这样可以显着降低开关损耗,并提供更快的开关速度,从而提高整体效率。此外,与600 V和900 V器件相比,这些1200/1800 V SiC MOSFET具有更小的芯片面积,以及较低的恢复损耗。
符合AEC标准
伴随着成熟和多代SiC器件的另一个问题是它们能够完全符合AEC-Q101标准。该标准基于汽车电子委员会(AEC)的一套规范,该委员会由主要汽车制造商和负责建立汽车电子可靠性测试的美国电子元件制造商组成。不同的代号对应不同的产品类型:
    AEC-Q100(IC器件)
    AEC-Q101(MOSFET等分立元件)
    AEC-Q102(分立光电子)
    AEC-Q104(多芯片模块)
    AEC-Q200(无源元件)
AEC-Q101标准比工业应用中广泛使用的标准严格得多。AEC规范建立了一组等级,如表2所示.SiC器件可以轻松满足0级(-40°C至+ 150°C),而纯硅器件通常不能满足。1级适用于舱内应用,并确保设备可在-40°C至+ 125°C的环境温度范围内稳定运行,但动力传动系统和发动机罩下需要0级。


图片.png

表2:AEC可靠性鉴定标准比用于商业和工业应用的标准更具挑战性。 (表来源:德州仪器)
请注意,一些供应商报告说工业应用越来越多地使用AEC-Q100系列规范来确保增强可靠性。从成本角度来看,这非常适合,因为满足了一个规定即可同时应用于车内和工业中,从而实现更低的成本。
SiC器件不仅适用于大电流场景
SiC器件不仅适用于EV中的大电流应用。除了动力传动系统之外,还有许多中低功率功能(即电动座椅/车窗加热器,座椅和车厢加热器,电池预热器,交流电机,动力转向系统)可以受益于SiC MOSFET的特性。

我是分类列表
    新闻详情
    在线咨询
    售前咨询热线
    18501630698
    QQ热线
    869217999