插电式混合动力汽车(PHEV)和全电动汽车(EVs)市场继续增长。这些类型的车辆,有时统称为xEVs,包含许多电力电子设备,其中大多数是基于当今的硅技术。然而,最先进的xEV设计需要电力电子解决方案,能够实现比传统硅结构更高的效率和更高的功率密度。

碳化硅技术助力电动汽车的发展-尚为网

碳化硅(SiC)可以克服硅的结构限制,提供以前无法达到的性能水平。SiC的优点包括低开关损耗、低漏源导通电阻(RDS)、高工作温度和高开关频率。这些特点使碳化硅动力装置适用于满足即使是最严格的汽车要求。

基于碳化硅的电力解决方案比传统硅基解决方案更高效、更轻、更紧凑。与最好的硅基晶体管相比,SiC功率晶体管的开关频率可以提高5倍,栅极电压可以提高2倍。因此,基于SiC器件的栅极驱动器的设计需要极大的关注,特别是在瞬态、导通状态(on)的性能水平和寄生电容方面的影响。

碳化硅的关键特性

用碳化硅技术制成的MOSFET功率晶体管比硅基晶体管的带隙更宽,这意味着前者拥有更大的击穿电压。事实上,在碳化硅中,电子从价带移动到导带所需的能量是硅的三倍。这使得SiC MOSFET能够承受比硅当量高10倍的击穿场强。该特性的另一个好处是可以极大地减少通道的厚度,从而减少RDS(on)。

SiC MOSFET在饱和状态下的表现也不同,在导电状态和饱和状态之间没有明确的过渡。而硅MOSFET可以被认为是在完整的传导(状态)当gate-source电压(Vg)超过某个阈值(作为压控电流源),碳化硅MOSFET通常有一个低跨导和像一个压控可变电阻。所描述的行为如图1所示,它比较了SiC MOSFET和硅基IGBT在给定温度下的输出特性。注意,在碳化硅晶体管,有一个平稳的过渡之间的开关状态,而IGBT这种过渡会表现的更为尖锐。

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当栅极电压增加时,RDS(on)继续减小,直到设定的VGS(max)极限。由于VGS(max),取决于具体的设备,通常在18到25 V的范围内,栅极驱动器应该能够提供15 V到20到22 V之间的电压。与IGBT不同的是,SiC MOSFET在关断状态下没有任何漏电流,因此能够实现更高的开关速率,而不会造成功率损失。SiC MOSFET的开关频率是硅器件的5倍,因此可以使用更小的无源器件。

不过,在该驱动器件设计阶段,更高的开关频率也会带来一些额外的要求,这不仅需要产生一个更大的Vg电压将设备带到传导状态(减少RDS(on)),而且也要一个能够满足快速充放电的电容以达到转换速率。这类要求对设计师提出了重大挑战,他们必须应对快速上升的边缘和快速移动的电荷;这些可能导致不良的影响,如超调,振铃和杂散开关引起的大的瞬态电压。