電動和混合動力汽車的設(shè)計人員致力于提高能量轉(zhuǎn)換效率，這些設(shè)備具有緊湊的封裝和高熱可靠性電力電子模塊的組裝，并降低了開關(guān)損耗。
設(shè)計參數(shù)不同，并考慮了功率水平、轉(zhuǎn)換效率、車輛動力總成系統(tǒng)中的工作溫度、熱能耗散能力和系統(tǒng)封裝。
碳化硅與氮化鎵
用于電子汽車的電力電子器件富含碳化硅 (SiC) 解決方案，可滿足所有這些大功率應(yīng)用所需的設(shè)計參數(shù)，從而為系統(tǒng)性能和長期可靠性做出重要貢獻(xiàn)。
“電動汽車 (EV) 行業(yè)的采用率非常高。全球 OEM 已宣布對電動汽車的投資超過 3000 億美元，我們預(yù)計未來十年內(nèi)生產(chǎn)的所有車型中將有 20% 實現(xiàn)電氣化，”Cree 副總裁兼電力總經(jīng)理 Jay Cameron 說。
SiC 和 GaN 被稱為“寬帶隙半導(dǎo)體”(WBG)，因為將這些材料的電子從價帶炸開到導(dǎo)帶所需的能量：而在硅的情況下，這個能量是 1.1eV，它是SiC(碳化硅)為 3.3eV，GaN(氮化鎵)為 3.4eV。
盡管在概念層面有相似之處，但 SiC 和 GaN 組件不可互換，而是根據(jù)它們在其中運行的系統(tǒng)內(nèi)的使用參數(shù)而有所不同。
GaN 的性能和可靠性與通道上的溫度和焦耳熱效應(yīng)有關(guān)。集成到 GaN 中的 SiC 和金剛石等襯底可以改善熱管理。這使得降低設(shè)備的工作溫度成為可能。
SiC 上的 GaN 是一種非常適用于甚高頻 (RF) 應(yīng)用的解決方案，可用于未來可與 5G 配合使用的設(shè)備。GaN on Si 在緊湊型 USB PD 充電器等低壓 (<200V) 產(chǎn)品中保持其地位。在 600V 和 650V 之間的范圍內(nèi)，這兩種技術(shù)在低于 2kW 的應(yīng)用中工作得非常好。
由于其在開關(guān)損耗方面的出色性能，GaN 可以成為需要兆赫 (MHz) 范圍內(nèi)開關(guān)頻率的正確解決方案。通過增加開關(guān)頻率和電流值，弱電阻(比 SiC 大 2-3 倍)可以在器件和系統(tǒng)成本方面限制高溫應(yīng)用。
“由于汽車行業(yè)大量采用碳化硅，我們看到碳化硅成為更廣泛的電源設(shè)計中最具成本效益的解決方案，”Jay Cameron 說?！疤蓟枋擒囕d充電器的關(guān)鍵解決方案。與硅實現(xiàn)相比，功率密度和效率的提高可以大大減少體積和重量。”
“我們的產(chǎn)品還支持支持 V2x(車對車、車對電網(wǎng))趨勢的雙向 OBC 設(shè)計。憑借我們 1200V 和 650V 的設(shè)備組合，我們能夠滿足 800V 和 400V 電動汽車架構(gòu)的要求，”Jay Cameron 說。
Cree 的解決方案
Cree 宣布擴(kuò)展其產(chǎn)品組合，推出 Wolfspeed 650V 碳化硅 MOSFET，適用于更廣泛的工業(yè)應(yīng)用，主要包括電動汽車、數(shù)據(jù)中心和其他可再生能源解決方案。
SiC MOSFET 提供高能效，為新型智能電網(wǎng)提供下一代雙向車載充電和儲能解決方案。
“有一系列應(yīng)用可以從 Cree 的新型 650V MOSFET 中受益。電動汽車和數(shù)據(jù)中心是可以從該技術(shù)中獲得巨大收益的兩個領(lǐng)域，這主要源于其高效率、高功率密度的特性。與硅替代品相比，您可以看到一半的傳導(dǎo)損耗、降低 75% 的開關(guān)損耗和提高 70% 的功率密度。這些優(yōu)勢非常適合電動汽車和數(shù)據(jù)中心，以及電信電源、UPS、太陽能逆變器等，”Jay Cameron 說。
新的 15 mΩ 和 60 mΩ 650V AEC-Q101 合格器件采用第三代 Cree C3M MOSFET 技術(shù)，提供比以前的解決方案更低的開關(guān)損耗和導(dǎo)通電阻。與硅相比，Wolfspeed 的新型 650V 碳化硅 MOSFET 可降低 75% 的開關(guān)損耗和 50% 的傳導(dǎo)損耗，從而使功率密度可能增加 300%。更高的效率和更快的開關(guān)速度使客戶能夠設(shè)計出具有更高性能的更小解決方案。
“電源設(shè)計人員在使用碳化硅時可以在他們的產(chǎn)品中實現(xiàn)最高效率，使他們能夠從相同的外形尺寸中獲得更多的功率，從更小的外形尺寸中獲得相同的功率，或者最大化功率密度以減小尺寸、重量或成本。碳化硅襯底的特性是絕對關(guān)鍵的。例如，作為自然界中最好的導(dǎo)熱體金剛石的表親，碳化硅的熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于硅。熱量越容易排出，設(shè)備運行的溫度就越低，這會增加低導(dǎo)通電阻隨溫度變化的影響，”Jay Cameron 說。
結(jié)論
全碳化硅模塊的應(yīng)用范圍越來越廣，無論是標(biāo)準(zhǔn)尺寸還是圍繞碳化硅優(yōu)化的新模塊設(shè)計。“我們發(fā)布的 XM3 系列 1200V 碳化硅半橋展示了在設(shè)計封裝時考慮到碳化硅的改進(jìn)可能。我們還積極支持模塊制造商開發(fā)基于我們的碳化硅模具的模塊，他們已經(jīng)能夠通過他們的創(chuàng)新設(shè)計實現(xiàn)出色的性能，”Jay Cameron 說。
不斷增長的性能需求推動了 SiC 解決方案的廣泛采用，提供了卓越的成熟度。許多工業(yè)應(yīng)用正在增加其采用率。
根據(jù)市場研究，最賺錢的市場將是涉及電動汽車和自動駕駛汽車的市場，其中 WBG 將用于逆變器、車載充電設(shè)備(OBC)和防撞系統(tǒng)(LiDAR)，這是顯而易見的，鑒于新器件的熱特性和效率符合優(yōu)化蓄電池性能的要求。
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