物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要高集成度和小尺寸功率轉(zhuǎn)換器

電動(dòng)汽車革命即將來臨。汽車公司拼命地尋求技術(shù)優(yōu)勢，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的電力電子設(shè)備正在迅速發(fā)展。諸如碳化硅(SiC)之類的寬禁帶FET技術(shù)有望顯著提高效率，減輕系統(tǒng)重量并減小電池體積。在汽車設(shè)計(jì)中，SiC兌現(xiàn)了這些承諾，并推動(dòng)了下一代電動(dòng)汽車的創(chuàng)新。

SiC和其他寬禁帶器件的基本優(yōu)勢源于它們的帶隙，價(jià)帶頂部和導(dǎo)帶底部之間的能量差。電子從低能價(jià)帶移動(dòng)到高能導(dǎo)帶使材料導(dǎo)電。將電子從價(jià)帶移動(dòng)到導(dǎo)帶需要1.1 eV。另一方面，SiC具有3.2 eV的帶隙，因此將電子移動(dòng)到SiC導(dǎo)帶需要更多的能量。對(duì)于給定的芯片尺寸，這意味著比硅器件更高的擊穿電壓。實(shí)際上，SiC芯片的優(yōu)勢更像是為電動(dòng)汽車量身定制的，例如尺寸更小、更低的導(dǎo)通電阻(RDSON)和更快的開關(guān)速度等。

電動(dòng)汽車的三個(gè)主要限制是充電時(shí)間，續(xù)航里程和成本。將逆變器電路的高壓部分(稱為DC鏈路)升壓至800 V或至1,000 V可以降低電流，從而使電纜和磁性件的重量更輕。更高的電壓要求開關(guān)器件具有更高的擊穿電壓，通常高達(dá)1200V。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的硅MOSFET，將擊穿電壓縮放到該水平并保持高電流是不切實(shí)際的，因?yàn)楸匦璧墓苄境叽缱兊酶蟆ｋp極硅器件(主要是絕緣雙極柵晶體管(IGBT))可以解決此問題，但會(huì)犧牲開關(guān)速度并限制功率轉(zhuǎn)換效率。SiC的寬帶隙允許單極FET器件(具有顯著較小的裸片尺寸)表現(xiàn)出與傳統(tǒng)IGBT相同的擊穿電壓和額定電流。此特性為電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)帶來了數(shù)項(xiàng)改進(jìn)，同時(shí)允許更高的直流母線電壓并減輕了車輛的重量。

為了提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，要么必須增加電池容量，要么必須提高車輛的效率。通常，提高電池容量會(huì)增加成本，尺寸和重量，因此設(shè)計(jì)人員將精力集中在提高車輛電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率上。使用正確的開關(guān)設(shè)備，設(shè)計(jì)人員可以提高電源開關(guān)頻率，以提高效率，同時(shí)減小磁性元件的尺寸，從而降低成本和重量。此外，高效轉(zhuǎn)換器需要更少的散熱和冷卻系統(tǒng)。

SiC FET自然會(huì)適應(yīng)這些高開關(guān)頻率，因?yàn)樗鼈冊诿總€(gè)充電/放電周期中消耗的能量很少。此外，SiC的材料特性與較小的裸片尺寸相結(jié)合，可以在較高溫度下運(yùn)行，而損耗比IGBT低。

Cree Wolfspeed E3M0065090D汽車SiC FET的RDSON如何隨溫度變化

與IGBT不同，SiC FET具有RDSON規(guī)范，并且額定RDSON隨溫度變化很小。該概念對(duì)于大功率電動(dòng)汽車應(yīng)用至關(guān)重要，在這些應(yīng)用中，開關(guān)設(shè)備可處理千瓦的功率并經(jīng)常達(dá)到高溫。此外，IGBT通常針對(duì)最大電流進(jìn)行了優(yōu)化。在小于最大負(fù)載時(shí)，它們的傳導(dǎo)損耗急劇增加。但是，SiC FET在低負(fù)載下仍保持其效率。這種行為在汽車中尤其有用，在汽車中，諸如牽引逆變器之類的系統(tǒng)會(huì)長期在不同的負(fù)載下運(yùn)行。

SiC FET的所有這些改進(jìn)共同帶來了更高的效率，更小的電池，更低的成本，從而設(shè)計(jì)出更強(qiáng)大的電動(dòng)汽車。但是，采用SiC技術(shù)要求設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)新技術(shù)，并且一些最重要的技術(shù)都集中在柵極驅(qū)動(dòng)器上。

具有較小芯片尺寸和較高開關(guān)頻率的SiC FET需要略微不同的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)。較小的裸片尺寸使SiC FET更容易受到損壞，而較高的頻率則需要具有更高性能的柵極驅(qū)動(dòng)器。最后，SiC FET在截止?fàn)顟B(tài)下通常需要較高的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和負(fù)柵極電壓。最新的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器集成了滿足所有這些要求所需的功能。

許多高壓汽車系統(tǒng)使用隔離設(shè)備(例如隔離的柵極驅(qū)動(dòng)器)將低壓控制器與系統(tǒng)的高壓部分分開。大多數(shù)SiC FET設(shè)計(jì)中使用的高開關(guān)頻率會(huì)使隔離的柵極驅(qū)動(dòng)器遭受快速瞬變的影響。具有至少100 kV / μsec的共模瞬變抗擾度(CMTI)的柵極驅(qū)動(dòng)器可以承受這些瞬變。此外，驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲和通道間偏斜通常必須低于10 ns，才能使設(shè)計(jì)在如此高速下保持穩(wěn)定。隨著汽車系統(tǒng)將直流鏈路電壓提高，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器還必須具有足夠的最大絕緣工作電壓(VIORM)。由于技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)計(jì)人員可以簡單地選擇滿足SiC FET系統(tǒng)需求的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。

許多新的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，例如Silicon Labs Si828x，還包括集成的Miller鉗位和去飽和檢測，以保護(hù)SiC器件。在半橋或全橋配置中，橋下半部分的開關(guān)器件在上部器件導(dǎo)通時(shí)，漏極上的電壓會(huì)快速變化。這種變化會(huì)在柵極中感應(yīng)出電流，以耗盡寄生電容，否則該寄生電容會(huì)通過柵極放電并導(dǎo)通下部器件。這種“米勒寄生開啟”會(huì)導(dǎo)致?lián)舸┈F(xiàn)象，這將迅速損壞SiC器件。

Silicon Labs Si828x隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器上的集成米勒鉗位。

當(dāng)集成的米勒鉗位達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，它會(huì)形成柵極到漏極的寄生電容。此外，異常負(fù)載情況可能導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備跌落到飽和狀態(tài)并受損。但是，Silicon Labs Si828x柵極驅(qū)動(dòng)器中集成了一個(gè)去飽和電路。如果開關(guān)設(shè)備上的電壓上升到配置的閾值以上，則柵極驅(qū)動(dòng)器會(huì)迅速做出響應(yīng)并正常關(guān)閉它。它使用軟關(guān)斷電路來限制開關(guān)設(shè)備上的感應(yīng)關(guān)斷電壓。

對(duì)于SiC FET，保護(hù)電路必須快速反應(yīng)(通常在1.8微秒以下)才能生效。通過將這三個(gè)功能集成到柵極驅(qū)動(dòng)器中，設(shè)計(jì)魯棒，可靠的SiC功率轉(zhuǎn)換器會(huì)變得簡單。

Silicon Labs Si828x隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器上的集成去飽和電路。

驅(qū)動(dòng)SiC FET的最后一個(gè)方面是在關(guān)閉FET時(shí)使用負(fù)電壓。負(fù)電壓與米勒鉗位一起工作，以確保FET處于截止?fàn)顟B(tài)，這是控制高頻功率轉(zhuǎn)換器中的直通電流的至關(guān)重要的一個(gè)方面。產(chǎn)生必要的負(fù)電壓軌的方法超出了本文的范圍。但是，選擇帶有集成DC/DC轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動(dòng)器通常會(huì)簡化設(shè)計(jì)。

總而言之，SiC開關(guān)提供前所未有的更快開關(guān)速度，更高效率和更高功率密度。此外，高擊穿電壓和熱特性是電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)需求。這些優(yōu)勢，加上隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的改進(jìn)功能，使其成為電氣化革命中的核心技術(shù)。