碳化硅器件提升牵引驱动效率

牵引应用中使用的半导体开关是实现高效率的关键部件。最新的半导体技术能实现高开关频率，在大多数功率转换应用中，这会带来更小的磁性原件的好处，以与额外开关损耗进行权衡。然而，在驱动逆变器中，磁性部件是电机，其大小与转矩和功率有关。低开关频率的更高效率通常超过其它因素。因此，在10kHz左右开关的IGBT得到了广泛应用，它们具有鲁棒、低导通损耗和合理的低开关损耗。

以IGBT为始

效率目标变得越来越严格，这是可以理解的——每增加一个百分点，就构成了一个良性循环的一部分，即更小的尺寸、重量和成本，以及更长的续驶距离。IGBT实现的约98%的数据是可信的，但仍有进一步改善的压力。使用硅或碳化硅MOSFET可以降低开关损耗，但它们在高功率水平下的导通损耗高于IGBT。这源于它们的导通电阻，耗散的功率与电流的平方成正比。IGBT有一个相对固定的饱和电压，所以在高功率下有一个交叉点，IGBT仍然获胜。在500A电流下，导通电阻大约为3mΩ 的MOSFET在工作结温下，导通损耗与IGBT相当。在电动汽车牵引应用中，器件需要650至750V的额定电压，而在这些电压下，单片硅或SiC MOSFET器件还无法实现上述导通电阻。并联MOSFET是一种解决方案，但成本和复杂性会螺旋上升。

为了达到最低的导通损耗，可以考虑使用SiC场效应晶体管——SiC JFET和SiMOSFET的共源共栅组合。考虑到传导损耗在电机驱动中占主导地位，功率半导体的价格通常与芯片总面积成正比，开关性能的一个有用的比较指标是优值RDS×A。这是特定电压等级的导通电阻和芯片面积的乘积。UnitedSiC FET在当前各类宽带隙器件中具有最好的RDS×A。与UnitedSiC MOSFET或氮化镓FET一样，本征二极管的低反向恢复能量消除了对外部反并联二极管的需求，在基于IGBT的电机驱动器中进一步节约成本。如图1所示，UnitedSiC FET还可以与超结Si MOSFET、SiC MOSFET和GaN HEMT竞争，图1比较了RDS×A和击穿电压额定值。

图1：器件开关技术与额定电压的优值RDS×A比较

硅器件有一个性能极限，如图所示，可用超结技术克服。未来，类似技术可能会超过图中4H-SiC的极限。如今，UnitedSiC提供的“第4代”共源共栅FET显著领先于竞争技术，即使制造技术有所进步，这一领先地位仍将保持，因为UnitedSiCFET基于JFET，在SiC上没有MOS栅极，这是RDS×A优势的主要原因。低RDS×A的好处是降低了成本和开关损耗。UnitedSiC FET的优点在于雪崩和短路耐受额定值，这在许多牵引应用中至关重要。SiC上没有MOS栅极，消除了参数随温度、电压以及高反向电流的变化。

实际运行结果

为了证明UnitedSiCFET与IGBT相比的优势，表1显示了200kW、500VDC母线两电平电压源牵引逆变器中的半导体损耗。两种器件类型的开关频率均为8kHz与TO-247封装八个并联单元SiC FET相比，IGBT加二极管模块的总器件占板面积大致相同。满载时，UnitedSiC FET总损耗为1.3kW而与之相比IGBT的总损耗为4kW，减少3.1倍。在电动汽车运行中常见的较轻负载下，降低幅度更大，为5~6倍。此外，UnitedSiC FET栅极驱动损耗低于IGBT，进一步提高了轻载效率。

表1: 200kW牵引逆变器中IGBT和UnitedSiC FET损耗的比较

当对SiC MOSFET和UnitedSiC Gen4 FET进行比较时，一个明显的直接优势是后者的750V额定值与SiC MOSFET更常见的650V额定值形成对比，在高电池组电压下保持了重要的设计裕度。表2比较了350VDC母线200kW牵引逆变器中UnitedSiC Gen4 11mΩ FET与竞争的Gen2和Gen3 SiC MOSFET。开关频率是相同的，在这三种技术中选择了并联器件的数量，以获得相同的损耗和结温升。在这些条件下，UnitedSiC FET只需要Gen2 SiC MOSFET解决方案总芯片面积的60%左右，而不到Gen3 SiC MOSFET解决方案总芯片面积的50%，从而带来成本和形状因子效益。或者，对于给定的芯片面积，UnitedSiC FET具有更低的损耗。

表2: 200kW牵引逆变器中UnitedSiC FET和SiC MOSFET比

SiC JFET也可以发挥作用

UnitedSiC场效应晶体管通常因其常见的共源共栅结构提供的“关断”特性而被选择。然而，常“开”的SiC JFET可用于逆变器的低压侧（或高压侧）开关位置。

JFET的基本特性如图2所示，取自UnitedSiC 5mΩ 750V元件的数据。由于省略了串联低压硅MOSFET，导通电阻低于等效的SiC FET单元。与温度相关的正向特性如左图所示，器件在VGS=0和2V时导通，增加JFET的VG可进一步增强JFET沟道并降低导通电阻。如果不超过栅源p-n结“转折”电压，则少数载流子注入影响可以忽略不计。当栅源电压为2.0至2.5V，结温在25˚C至175˚C的温度下,对于UnitedSiCGen4 750V JFET其门极流入电流为25mA。在VGS=2V时，与VGS=0相比，RDS（on）改善了约10%。

图2中的中间图像显示了器件关断VG≈–10V时，泄漏电流最小。右图显示的是第三象限“换向”操作，传导方向相反，压降取决于负VGS值。在最小死区时间后应使用VG=≥0进行沟道增强为0，以减少反向电流流动的导通损耗。

图2: SiC JFET（UnitedSiC UJ4N075005K3S）的特性

SiC JFET的导通电阻比具有相同JFET的共源共栅单元低约9%，这是一个明显的优点。在低压侧开关位置（图3），通常“开通”的JFET特性也是一个优点。如果控制电源出现故障，所有低压侧开关自然打开，使电机绕组短路，为感应电机创造故障安全条件。电机无法向电池组产生不受控制的扭矩和功率。正常情况下，高压侧开关“关断”可防止击穿。

图3: SiC JFET作为电机驱动器中的低压侧开关

一个可能的好处是使用JFET栅源p-n结作为温度敏感参数。如果SiC JFET栅极以固定的正偏置电流驱动，比如10mA——产生的栅源电压随芯片温度线性变化。这可用于快速节温检测和性能监测。

UnitedSiC FET和JFET可以实现所需的效率提升

牵引逆变器驱动器中的UnitedSiCFET可显著提高效率，如果在低压侧开关位置使用SiC JFET，则可获得进一步的增益。这还提供了故障安全操作和简单温度监测的宝贵副作用。UnitedSiC，现在的Qorvo，可以提供一系列不同导通电阻和封装的元件，以获得最佳的成本效益解决方案。它的在线FET Jet计算器工具可以方便地为一系列AC/DC和DC/DC拓扑选择器件，并即时计算所选散热器性能的效率、损耗和温升。

来源：星辰工业电子简讯