羅姆第4代SiC MOSFET在電動(dòng)汽車電控系統(tǒng)中的應(yīng)用及其優(yōu)勢

引言

近年來，為了實(shí)現(xiàn)“碳中和”等減輕環(huán)境負(fù)荷的目標(biāo)，需要進(jìn)一步普及下一代電動(dòng)汽車（xEV），從而推動(dòng)了更高效、更小型、更輕量的電動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)。尤其是在電動(dòng)汽車（EV）領(lǐng)域，為了延長續(xù)航里程并減小車載電池的尺寸，提高發(fā)揮驅(qū)動(dòng)核心作用的電控系統(tǒng)的效率已成為一個(gè)重要課題。SiC（碳化硅）作為新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具備高電壓、大電流、高溫、高頻率和低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢。因此，業(yè)內(nèi)對碳化硅功率元器件在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用寄予厚望。

羅姆第4代SiC MOSFET應(yīng)用于“三合一”電橋

近日，上汽大眾與臻驅(qū)科技聯(lián)合開發(fā)的首款基于SiC技術(shù)的“三合一”電橋完成試制。據(jù)悉，對比現(xiàn)有電橋產(chǎn)品，這款SiC“三合一”電橋在能耗表現(xiàn)方面非常搶眼，每百公里可節(jié)約0.645kW·h電能。以上汽大眾在ID 4X車型上的測試結(jié)果為例，對比傳統(tǒng)的IGBT方案，整車?yán)m(xù)航里程提升了4.5%。由此可知，SiC電橋方案的優(yōu)勢非常明顯。但作為一種新技術(shù)，SiC電控系統(tǒng)還存在一些開發(fā)難點(diǎn)，比如SiC模塊的本體設(shè)計(jì)，以及高速開關(guān)帶來的系統(tǒng)EMC應(yīng)對難題。值得一提的是，臻驅(qū)科技此次完成試制的“三合一”電橋采用的是羅姆第4代SiC MOSFET裸芯片，充分發(fā)揮了碳化硅器件的性能優(yōu)勢。

羅姆于2020年完成開發(fā)的第4代SiC MOSFET，是在不犧牲短路耐受時(shí)間的情況下實(shí)現(xiàn)業(yè)內(nèi)超低導(dǎo)通電阻的產(chǎn)品。該產(chǎn)品用于車載主驅(qū)逆變器時(shí)，效率更高，與使用IGBT時(shí)相比，效率顯著提升，因此非常有助于延長電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，并減少電池使用量，降低電動(dòng)汽車的成本。

圖 | 第4代SiC MOSFET和IGBT的逆變器效率比較

羅姆第4代SiC MOSFET的獨(dú)特優(yōu)勢

羅姆作為碳化硅領(lǐng)域的深耕者，從2000年就開始了相關(guān)的研發(fā)工作，并在2009年收購碳化硅襯底供應(yīng)商SiCrystal后，于2010年率先推出了商用碳化硅MOSFET，目前產(chǎn)品涵蓋SiC SBD、SiC MOSFET和全SiC模組，其中SiC SBD、SiC MOSFET可以裸芯片的形式供貨。羅姆在2015年發(fā)布了第3代也是第一款商用溝槽結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET產(chǎn)品，支持18V驅(qū)動(dòng)。2020年，羅姆又推出了第4代SiC MOSFET。目前，不僅可供應(yīng)裸芯片，還可供應(yīng)分立封裝的產(chǎn)品。分立封裝的產(chǎn)品已經(jīng)完成了面向消費(fèi)電子設(shè)備和工業(yè)設(shè)備應(yīng)用的產(chǎn)品線開發(fā)，后續(xù)將逐步開發(fā)適用于車載應(yīng)用的產(chǎn)品。

對比羅姆的第3代SiC MOSFET產(chǎn)品，第4代SiC MOSFET具有導(dǎo)通電阻更低的特點(diǎn)。根據(jù)測試結(jié)果顯示，在芯片尺寸相同且在不犧牲短路耐受時(shí)間的前提下，羅姆采用改進(jìn)的雙溝槽結(jié)構(gòu)，使得MOSFET的導(dǎo)通電阻降低了約40％，傳導(dǎo)損耗相應(yīng)降低。此外，從RDS(on)與VGS的關(guān)系圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)第4代SiC MOSFET在柵極電壓處于+15V和+18V之間時(shí)具有更平坦的梯度，這意味著第4代SiC MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓范圍可拓展至15V-18V。

圖 | 第3代和第4代SiC MOSFET導(dǎo)通電阻測試結(jié)果示意圖

同時(shí)，第4代SiC MOSFET還改善了開關(guān)性能。通常，為了滿足更大電流和更低導(dǎo)通電阻的需求，MOSFET存在芯片面積增大、寄生電容增加的趨勢，因而存在無法充分發(fā)揮碳化硅原有的高速開關(guān)特性的課題。第4代SiC MOSFET，通過大幅降低柵漏電容（Cgd），成功地使開關(guān)損耗比以往產(chǎn)品降低約50％。

圖 | 第3代和第4代SiC MOSFET開關(guān)損耗測試結(jié)果示意圖

此外，羅姆還對第4代SiC MOSFET進(jìn)行了電容比的優(yōu)化，大大提高了柵極和漏極之間的電容（CGD）與柵極和源極之間的電容（CGS）之比，從而減少了寄生電容的影響。比如，可以減小在半橋中一個(gè)快速開關(guān)的SiC MOSFET施加在另一個(gè)SiC MOSFET上的高速電壓瞬變（dVDS/dt）對柵源電壓VGS的影響。這將降低由正VGS尖峰引起的SiC MOSFET意外寄生導(dǎo)通的可能性，以及可能損壞SiC MOSFET的負(fù)VGS尖峰出現(xiàn)的可能性。

支持工具

羅姆在下面官網(wǎng)的SiC介紹頁面中，介紹了SiC MOSFET、SiC SBD和SiC功率模塊等碳化硅功率半導(dǎo)體的概要，同時(shí)，還發(fā)布了用于快速評(píng)估和引入第4代SiC MOSFET的各種支持內(nèi)容，供用戶參考。

第4代SiCMOSFET的支持內(nèi)容：

?概要介紹視頻、產(chǎn)品視頻

?應(yīng)用指南（產(chǎn)品概要和評(píng)估信息、主驅(qū)逆變器、車載充電器、SMPS）

?設(shè)計(jì)模型（SPICE模型、PLECS模型、封裝和Foot Print等的3D CAD數(shù)據(jù)）

?主要應(yīng)用中的仿真電路（ROHM Solution Simulator）

?評(píng)估板信息※如需購買評(píng)估板，請聯(lián)系羅姆的銷售部門。

總結(jié)

綜上，羅姆通過進(jìn)一步改進(jìn)自有的雙溝槽結(jié)構(gòu)，使第4代SiC MOSFET具有低導(dǎo)通電阻、優(yōu)秀的短路耐受時(shí)間、低寄生電容、低開關(guān)損耗等優(yōu)點(diǎn)。憑借高性能元器件以及豐富的支持工具，羅姆將助力設(shè)計(jì)人員為未來的電力電子系統(tǒng)創(chuàng)建可行且節(jié)能的解決方案。