【導讀】電動(dòng)汽車(chē)革命即將來(lái)臨。汽車(chē)公司拼命地尋求技術(shù)優(yōu)勢，驅動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的電力電子設備正在迅速發(fā)展。諸如碳化硅（SiC）之類(lèi)的寬禁帶FET技術(shù)有望顯著(zhù)提高效率，減輕系統重量并減小電池體積。在汽車(chē)設計中，SiC兌現了這些承諾，并推動(dòng)了下一代電動(dòng)汽車(chē)的創(chuàng )新。
電動(dòng)汽車(chē)革命即將來(lái)臨。汽車(chē)公司拼命地尋求技術(shù)優(yōu)勢，驅動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的電力電子設備正在迅速發(fā)展。諸如碳化硅（SiC）之類(lèi)的寬禁帶FET技術(shù)有望顯著(zhù)提高效率，減輕系統重量并減小電池體積。在汽車(chē)設計中，SiC兌現了這些承諾，并推動(dòng)了下一代電動(dòng)汽車(chē)的創(chuàng )新。
SiC和其他寬禁帶器件的基本優(yōu)勢源于它們的帶隙，價(jià)帶頂部和導帶底部之間的能量差。電子從低能價(jià)帶移動(dòng)到高能導帶使材料導電。將電子從價(jià)帶移動(dòng)到導帶需要1.1 eV。另一方面，SiC具有3.2 eV的帶隙，因此將電子移動(dòng)到SiC導帶需要更多的能量。對于給定的芯片尺寸，這意味著(zhù)比硅器件更高的擊穿電壓。實(shí)際上，SiC芯片的優(yōu)勢更像是為電動(dòng)汽車(chē)量身定制的，例如尺寸更小、更低的導通電阻（RDSON）和更快的開(kāi)關(guān)速度等。
電動(dòng)汽車(chē)的三個(gè)主要限制是充電時(shí)間，續航里程和成本。將逆變器電路的高壓部分（稱(chēng)為DC鏈路）升壓至800 V或至1,000 V可以降低電流，從而使電纜和磁性件的重量更輕。更高的電壓要求開(kāi)關(guān)器件具有更高的擊穿電壓，通常高達1200V。對于標準的硅MOSFET，將擊穿電壓縮放到該水平并保持高電流是不切實(shí)際的，因為必需的管芯尺寸變得更大。雙極硅器件（主要是絕緣雙極柵晶體管（IGBT））可以解決此問(wèn)題，但會(huì )犧牲開(kāi)關(guān)速度并限制功率轉換效率。SiC的寬帶隙允許單極FET器件（具有顯著(zhù)較小的裸片尺寸）表現出與傳統IGBT相同的擊穿電壓和額定電流。此特性為電源轉換系統帶來(lái)了數項改進(jìn)，同時(shí)允許更高的直流母線(xiàn)電壓并減輕了車(chē)輛的重量。
為了提高電動(dòng)汽車(chē)的續航里程，要么必須增加電池容量，要么必須提高車(chē)輛的效率。通常，提高電池容量會(huì )增加成本，尺寸和重量，因此設計人員將精力集中在提高車(chē)輛電源轉換系統的效率上。使用正確的開(kāi)關(guān)設備，設計人員可以提高電源開(kāi)關(guān)頻率，以提高效率，同時(shí)減小磁性元件的尺寸，從而降低成本和重量。此外，高效轉換器需要更少的散熱和冷卻系統。
SiC FET自然會(huì )適應這些高開(kāi)關(guān)頻率，因為它們在每個(gè)充電/放電周期中消耗的能量很少。此外，SiC的材料特性與較小的裸片尺寸相結合，可以在較高溫度下運行，而損耗比IGBT低。
Cree Wolfspeed E3M0065090D汽車(chē)SiC FET的RDSON如何隨溫度變化
與IGBT不同，SiC FET具有RDSON規范，并且額定RDSON隨溫度變化很小。該概念對于大功率電動(dòng)汽車(chē)應用至關(guān)重要，在這些應用中，開(kāi)關(guān)設備可處理千瓦的功率并經(jīng)常達到高溫。此外，IGBT通常針對最大電流進(jìn)行了優(yōu)化。在小于最大負載時(shí)，它們的傳導損耗急劇增加。但是，SiC FET在低負載下仍保持其效率。這種行為在汽車(chē)中尤其有用，在汽車(chē)中，諸如牽引逆變器之類(lèi)的系統會(huì )長(cháng)期在不同的負載下運行。
SiC FET的所有這些改進(jìn)共同帶來(lái)了更高的效率，更小的電池，更低的成本，從而設計出更強大的電動(dòng)汽車(chē)。但是，采用SiC技術(shù)要求設計人員學(xué)習新技術(shù)，并且一些最重要的技術(shù)都集中在柵極驅動(dòng)器上。
具有較小芯片尺寸和較高開(kāi)關(guān)頻率的SiC FET需要略微不同的柵極驅動(dòng)技術(shù)。較小的裸片尺寸使SiC FET更容易受到損壞，而較高的頻率則需要具有更高性能的柵極驅動(dòng)器。最后，SiC FET在截止狀態(tài)下通常需要較高的柵極驅動(dòng)信號和負柵極電壓。最新的隔離式柵極驅動(dòng)器集成了滿(mǎn)足所有這些要求所需的功能。
許多高壓汽車(chē)系統使用隔離設備（例如隔離的柵極驅動(dòng)器）將低壓控制器與系統的高壓部分分開(kāi)。大多數SiC FET設計中使用的高開(kāi)關(guān)頻率會(huì )使隔離的柵極驅動(dòng)器遭受快速瞬變的影響。具有至少100 kV / µsec的共模瞬變抗擾度（CMTI）的柵極驅動(dòng)器可以承受這些瞬變。此外，驅動(dòng)器的傳播延遲和通道間偏斜通常必須低于10 ns，才能使設計在如此高速下保持穩定。隨著(zhù)汽車(chē)系統將直流鏈路電壓提高，隔離式柵極驅動(dòng)器還必須具有足夠的最大絕緣工作電壓（VIORM）。由于技術(shù)的進(jìn)步，設計人員可以簡(jiǎn)單地選擇滿(mǎn)足SiC FET系統需求的隔離式柵極驅動(dòng)器。
許多新的隔離式柵極驅動(dòng)器，例如Silicon Labs Si828x，還包括集成的Miller鉗位和去飽和檢測，以保護SiC器件。在半橋或全橋配置中，橋下半部分的開(kāi)關(guān)器件在上部器件導通時(shí)，漏極上的電壓會(huì )快速變化。這種變化會(huì )在柵極中感應出電流，以耗盡寄生電容，否則該寄生電容會(huì )通過(guò)柵極放電并導通下部器件。這種“米勒寄生開(kāi)啟”會(huì )導致?lián)舸┈F象，這將迅速損壞SiC器件。
Silicon Labs Si828x隔離式柵極驅動(dòng)器上的集成米勒鉗位。
當集成的米勒鉗位達到預設閾值時(shí)，它會(huì )形成柵極到漏極的寄生電容。此外，異常負載情況可能導致開(kāi)關(guān)設備跌落到飽和狀態(tài)并受損。但是，Silicon Labs Si828x柵極驅動(dòng)器中集成了一個(gè)去飽和電路。如果開(kāi)關(guān)設備上的電壓上升到配置的閾值以上，則柵極驅動(dòng)器會(huì )迅速做出響應并正常關(guān)閉它。它使用軟關(guān)斷電路來(lái)限制開(kāi)關(guān)設備上的感應關(guān)斷電壓。
對于SiC FET，保護電路必須快速反應（通常在1.8微秒以下）才能生效。通過(guò)將這三個(gè)功能集成到柵極驅動(dòng)器中，設計魯棒，可靠的SiC功率轉換器會(huì )變得簡(jiǎn)單。
Silicon Labs Si828x隔離式柵極驅動(dòng)器上的集成去飽和電路。
驅動(dòng)SiC FET的最后一個(gè)方面是在關(guān)閉FET時(shí)使用負電壓。負電壓與米勒鉗位一起工作，以確保FET處于截止狀態(tài)，這是控制高頻功率轉換器中的直通電流的至關(guān)重要的一個(gè)方面。產(chǎn)生必要的負電壓軌的方法超出了本文的范圍。但是，選擇帶有集成DC/DC轉換器的柵極驅動(dòng)器通常會(huì )簡(jiǎn)化設計。
總而言之，SiC開(kāi)關(guān)提供前所未有的更快開(kāi)關(guān)速度，更高效率和更高功率密度。此外，高擊穿電壓和熱特性是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統的基礎需求。這些優(yōu)勢，加上隔離式柵極驅動(dòng)器的改進(jìn)功能，使其成為電氣化革命中的核心技術(shù)。
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