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[经验] 有效实施更长距离电动汽车用SiC功率器件

2019-8-11 15:46:45  579 SiC 功率器件 电动汽车 模拟技术
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虽然电动和混合动力电动汽车(EV]从作为功率控制器件的标准金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)到基于碳化硅(SiC)衬底和工艺技术的FET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此功能,并阐明了其辅助器件驱动器的功能。在简要讨论了AEC-Q101标准对汽车级离散器件的影响之后,它介绍了ROHM半导体公司的两款符合AEC标准的SiC功率器件,并强调了成功设计必须考虑的关键特性。
为电动汽车和混合动力汽车提供动力
<span]对所有车辆 - 内燃机(IC),电动汽车和混合动力汽车的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,内部网络等功能和连接,雷达娱乐系统,GPS等。
IC车辆的主要电源通常是标准的12]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,以及驱动程序所期望的许多现在标准功能和功能。(图片来源:ROHM Semiconductor)
除了用于内部功能和充电的许多小型DC]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,基本电流]这些静态损耗指向两种众所周知的降低IR压降和I 2 R损耗的策略:1)降低导通电阻,2)增加系统工作电压,从而减少提供给定量的电流所需的电流给负载供电。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和绝缘栅双极晶体管(IGBT)。虽然技术进步大大提高了它们的性能,但改进已基本稳定。与此同时,电动汽车要求具有更好规格的开关设备具有可行性和吸引力。
<span]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,其中一种基于碳化硅(SiC)材料而不仅仅是基本硅,由相同的部分硅和碳通过共价键连接而成。尽管存在超过100种不同的SiC多型(独特结构)的SiC,但由于生产和加工原因,4H和6H型是最受关注的。
SiC]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简化了冷却要求。
电气财产Si碳化硅(4H)碳化硅(6H)钻石
带隙能量(eV)1.123.282.965.5
临界电场(MV / cm)0.292.53.220
电子迁移率(cm²/ VS)12008003702200
空穴流动性(cm²/ VS)490115901800
电导率(W / cmK)1.53.83.820
最高结温(°C)1506006001927
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。(表来源:语义学者)
SiC成熟度和AEC-Q101
<span]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,经过几代人的发展 - 每一代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]图2:从2 ROHM的SiC器件的过渡第二至3 次代包括过程的增强,以及主要的结构变化。(图片来源:ROHM Semiconductor)
采用ROHM的第三代SiC]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。关键协议是:
  • 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器件可以满足0级(-40°C至+]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,这是实用的,因为汽车中电子设备和部件的广泛采用极大地降低了工业与汽车的价格差异。
SiC器件支持中到高电流设计
<span]SiC器件不仅适用于EV中的高电流应用。除了动力传动系统之外,还有许多低功率功能(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)可以从SiC MOSFET的特性中受益。
例如,ROHM的SCT3160KL是一款N沟道SiC功率MOSFET,针对高达17]图3:ROHM的SCT3160KL是基本的N沟道SiC功率MOSFET,负载高达17 A.(图像来源:ROHM Semiconductor)
图4:SCT3160KL采用16]表3:SCT3160KL的基本规格显示其适用于EV中的许多较小负载或其他应用的电源需求。(表来源:ROHM Semiconductor)
最大安全工作区(SOA)图说明了这种SiC器件如何非常适合脉冲工作周期,这通常是在较高电压下开关电源和稳压器(图5)。
<span]图5:SCT3160KL的SOA图建立并限制了漏极电流,漏极 - 源极电压和脉冲功率处理的最大限制。(图片来源:ROHM Semiconductor)
当然,基于SiC的器件的优势在更高的电流水平下最为明显。考虑ROHM的SCT3022AL,也是采用TO-247N封装的N沟道SiC功率MOSFET。其主要规格(表4)和SOA(图6)表明,它非常适合电动机驱动功率转换,电池管理以及EV中的电池充电]表4:ROHM的SCT3022AL N沟道SiC功率MOSFET由于其低导通电阻值和其他属性,非常适合更高电流的设计。(表来源:ROHM Semiconductor)
图6:SCT3022AL]单独的功率器件 - 无论是硅MOSFET,SiC FET还是IGBT--只是功率转换/控制设计方程的一部分。实际上,高功率“信号链”运行需要三个功能:控制器,栅极驱动器和功率半导体。
尽管SiC器件在驱动方面与Si器件(和IGBT)具有相似的特性,但它们也表现出显着的差异。例如,由于SiC]SiC驱动器需要以下内容:
  • 相对较高的电源电压(25至30伏),通过低传导损耗实现高效率
  • 更高的驱动电流(通常> 5 A)和低阻抗,快速回转驱动器,具有随时间变化的瞬时电压变化率(dV / dt),可在驱动电流流入和流出栅极电容时实现更低的开关损耗
  • 快速短路保护(通常<400 ns响应),因为SiC器件的开关速度比Si器件快
  • 减少传播延迟值和单位到单位的偏斜(再次提高效率)
  • 最后,具有超高dV / dt抗扰度,可确保在高电流,高电压工作环境中稳定运行
SiC基FETS,Si]表5:虽然基于Si的MOSFET和IGBT具有一些类似的驱动要求,但SiC器件驱动器的规格却大不相同。(表来源:德州仪器)
由于这些设备与各种其他系统拓扑因素一起运行的高电压,与蠕变和间隙尺寸相关的监管问题通常包括在设计标准中。此外,几乎总是需要在控制器和功率器件之间进行电流(欧姆)隔离。
<span]这种隔离可以由位于控制器和驱动器之间的单独的独立组件提供,或者嵌入在多芯片驱动器中。后一种选择导致整体占地面积更小,但一些设计人员更喜欢使用独立的隔离器,因此他们可以选择隔离技术(例如磁,光,电容)以及性能规格。
例如,德州仪器(ti)的UCC27531-Q1是符合AEC-Q100标准(1级)的非隔离单通道,用于SiC(和其他)器件的高速栅极驱动器(图7)。它在源模式下提供高达2.5]图7:德州仪器(TI)的非隔离式UCC27531-Q1栅极驱动器非常适合SiC开关器件的技术要求。(图片来源:德州仪器)
虽然这种小型六引脚SOT-23驱动器似乎是一个提供简单功能的简单组件,但有效驱动需要详细关注SiC器件的特定需求。
<span]该器件的输出级采用独特的架构,可在最需要时提供最高峰值源电流。这是在米勒高原区域的电源开关导通转换期间,当电源开关漏极/集电极电压经历最高dV / dt时(图8)。它通过在窄窗口期间打开其N沟道MOSFET来实现这一点,此时输出状态由低变为高,栅极驱动器能够在峰值源电流中提供短暂的提升,从而实现快速开启。
图8:德州仪器(TI)]隔离式SiC驱动器解决方案中包括Power Integrations的SIC1182K,这是一款单通道,8 A SiC栅极驱动器,具有高达1200 V的先进有源钳位和增强隔离。请注意,虽然这种隔离式SiC驱动器模块不符合AEC认证,但Power Integrations可以提供非常相似的SID11x2KQ MOSFET / IGBT栅极驱动器系列,符合AEC-100 1级标准。例如SID1182KQ-TL,一个8 A / 1200 V单通道IGBT / MOSFET栅极驱动器。
SIC1182K采用16引脚eSOP-R16B封装(9]图9:Power Integrations的SIC1182K隔离式SiC栅极驱动器上的引脚3,4,5和6的合并连接提供了热路径以及大量的初级侧接地连接。(图片来源:Power Integrations)
SIC1182K在开启阶段结合了短路保护,并通过高级有源钳位在关断时实现过压限制,所有这些都通过一个传感引脚完成。隔离栅极驱动器需要连接初级/次级侧电源和接地,逻辑控制和驱动输出。提供额外的连接以实现更强大的驱动程序(图10)。这些包括用于逻辑故障信号(漏极开路)的连接,用于检测导通时的短路事件并限制关断时的过电压的感测输入,自举和电荷泵电源电压以及次级侧参考电位。
<span]图10:SIC1182K隔离式SiC栅极驱动器增加了引脚,以增加其在实际电路中的驱动功能的稳健性,该电路总是容易出现故障和不良行为。(图片来源:Power Integrations)
结论
可行的EV需要先进的电池以及高性能电源管理,这两者都可以通过SiC]然而,为了实现这些高性能SiC器件的全部潜力,设计人员还必须选择适合应用需求的栅极驱动器。

王栋春 2019-8-11 21:38:04
讲解的非常到位
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