用于新一代电动汽车的 SiC MOSFET功率器件介绍

电动和混合动力汽车的设计人员致力于提高能量转换效率，这些设备配备了紧凑型封装和高热可靠性电力电子模块组装，并降低了开关损耗。

设计参数不同，并考虑了功率水平、转换效率、车辆动力总成系统中的工作温度、热能耗散能力和系统封装。

碳化硅与氮化镓

用于电子汽车的电力电子设备富含碳化硅 (SiC) 解决方案，可满足所有这些大功率应用所需的设计参数，从而为系统性能和长期可靠性做出重要贡献。

“电动汽车 (EV) 行业的采用率非常高。全球 OEM 已宣布对电动汽车的投资超过 3000 亿美元，我们预计未来十年内生产的所有车型中将有 20% 实现电气化，”Cree 副总裁兼电力总经理 Jay Cameron 说。

SiC 和 GaN 被称为“宽带隙半导体”(WBG)，因为将这些材料的电子从价带炸开到导带所需的能量：而在硅的情况下，这个能量是 1.1eV，它是SiC(碳化硅)为 3.3eV，GaN(氮化镓)为 3.4eV。

尽管在概念层面有相似之处，但 SiC 和 GaN 组件不可互换，而是根据它们在其中运行的系统内的使用参数而有所不同。

GaN 的性能和可靠性与通道上的温度和焦耳热效应有关。集成到 GaN 中的 SiC 和金刚石等衬底可以改善热管理。这使得降低设备的工作温度成为可能。

SiC 上的 GaN 是一种非常适用于甚高频 (RF) 应用的解决方案，可用于未来可与 5G 配合使用的设备。GaN on Si 在紧凑型 USB PD 充电器等低压 (<200V) 产品中保持其地位。在 600V 和 650V 之间的范围内，这两种技术在低于 2kW 的应用中工作得非常好。

由于其在开关损耗方面的出色性能，GaN 可以成为需要兆赫 (MHz) 范围内开关频率的正确解决方案。通过增加开关频率和电流值，弱电阻(比 SiC 大 2-3 倍)可以在器件和系统成本方面限制高温应用。

“由于汽车行业大量采用碳化硅，我们看到碳化硅成为更广泛的电源设计中最具成本效益的解决方案，”Jay Cameron 说。“碳化硅是车载充电器的关键解决方案。与硅实现相比，功率密度和效率的提高可以大大减少体积和重量。”

“我们的产品还支持支持 V2x(车对车、车对电网)趋势的双向 OBC 设计。凭借我们 1200V 和 650V 的设备组合，我们能够满足 800V 和 400V 电动汽车架构的要求，”Jay Cameron 说。

Cree 的解决方案

Cree 宣布扩大其产品组合，推出 Wolfspeed 650V 碳化硅 MOSFET，适用于更广泛的工业应用，主要包括电动汽车、数据中心和其他可再生能源解决方案。

SiC MOSFET 提供高能效，为新型智能电网提供下一代双向车载充电和储能解决方案。

“有一系列应用可以从 Cree 的新型 650V MOSFET 中受益。电动汽车和数据中心是可以从该技术中获得巨大收益的两个领域，这主要源于其高效率、高功率密度的特性。与硅替代品相比，您可以看到一半的传导损耗、降低 75% 的开关损耗和提高 70% 的功率密度。这些优势非常适合电动汽车和数据中心，以及电信电源、UPS、太阳能逆变器等，”Jay Cameron 说。

新的 15 mΩ 和 60 mΩ 650V AEC-Q101 合格器件采用第三代 Cree C3M MOSFET 技术，提供比以前的解决方案更低的开关损耗和导通电阻。与硅相比，Wolfspeed 的新型 650V 碳化硅 MOSFET 可降低 75% 的开关损耗和 50% 的传导损耗，从而使功率密度可能增加 300%。更高的效率和更快的开关速度使客户能够设计出具有更高性能的更小解决方案。

“电源设计人员在使用碳化硅时可以在其产品中实现最高效率，使他们能够从相同的外形尺寸中获得更多的功率，从更小的外形尺寸中获得相同的功率，或者最大化功率密度以减小尺寸、重量或成本。碳化硅衬底的特性是绝对关键的。例如，作为自然界中最好的导热体金刚石的表亲，碳化硅的热性能远远优于硅。热量越容易排出，设备运行的温度就越低，这会增加低导通电阻随温度变化的影响，”Jay Cameron 说。

结论

全碳化硅模块的应用范围越来越广，无论是标准尺寸还是围绕碳化硅优化的新模块设计。“我们发布的 XM3 系列 1200V 碳化硅半桥展示了在设计封装时考虑到碳化硅的改进可能。我们还积极支持模块制造商开发基于我们的碳化硅模具的模块，他们已经能够通过他们的创新设计实现出色的性能，”Jay Cameron 说。

不断增长的性能需求推动了 SiC 解决方案的广泛采用，提供了卓越的成熟度。许多工业应用正在增加其采用率。

根据市场研究，最赚钱的市场将是涉及电动汽车和自动驾驶汽车的市场，其中 WBG 将用于逆变器、车载充电设备(OBC)和防撞系统(LiDAR)，这是显而易见的，鉴于新器件的热特性和效率符合优化蓄电池性能的要求。