UnitedSiC新款SiC FET,拥有直接替代功能

2019-12-09来源: EEWORLD关键字:UnitedSiC  SiC

从电池能量到车轮动力,新能源汽车EV具有约为59%-62%的转换效率,而且依然有提升的潜力。而我们的内燃机正在为努力达到21%的效率抓破了头。但至少有一个可能的路线能够提高电动汽车的性能,就是采用新型半导体开关用于动力传动系统。要实现更高的效率,关键是功率转换效率。这些难题似乎已被IGBT攻克,然而随着技术的更新,在许多应用中IGBT已经被碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)材料制造的宽带隙(WBG)半导体技术所取代。

 

 

新型功率半导体企业美商联合碳化硅股份有限公司(UnitedSiC)宣布将推出四种新型SiC FET——UF3SC。据介绍,该产品的RDS(ON)值可低至7mΩ,并可提供前所未有的性能和高效率,适用于电动汽车(EV)逆变器、高功率DC/DC转换器、大电流电池充电器和固态断路器等高功率应用。在这四款全新UF3C SiC FET器件中,一款产品额定电压值为650V,RDS(on)为7 mΩ,另外三款电压额定值为1200V,RDS(on)分别为9和16 mΩ。

 

 

UnitedSiC工程师表示,与Si器件相比,SiC功率器件可以有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。此外,基于卓越的电阻特性,能量损耗可降低70-90%。 因此可以大大改善系统上的散热。由于SiC可承受更高的温度,即可实现更高的集成。这将会满足未来客户对系统体积小型化,轻量化的诉求。其中,出色的二极管特性使得Vf仅为2V,与传统的SiC MOSFET 3.5V相比提高了不少,从而大大降低了二极管的损耗。

 

 

UnitedSiC的UF3C FET产品系列的独特之处在于其真正的“直接替代”功能。设计人员通过采用UnitedSiC FET替换已有的Si IGBT、Si FET、SiC MOSFET或硅超级结器件,即可显著提高系统性能,而无需改变栅极驱动电压。

 

SiC FET基于UnitedSiC独特的“共源共栅”电路配置,其中常开(normally-on)SiC JFET与Si MOSFET共同封装,可构建出具有标准栅极驱动特性的常关(normally-off)SiC FET器件。因此,现有系统在采用UnitedSiC“直接替代”FET升级后将具有很大性能提升,实现更低的导通和开关损耗,增强的热性能和集成栅极ESD保护。

 

堆叠式共源共栅(cascode)技术

 

UF3SC之所以能够有这些优势,要得益于其堆叠式共源共栅(cascode)技术的发挥,什么是共源共栅?这里先普及一下SiC FET基础知识以及技术原理。

 

所谓SiC FET,它是一种特定类型的WBG器件,是SiC JFET和Si MOSFET的复合体或“共源共栅(级联)”,其通常设置为OFF,没有偏压,并可在纳秒级内切换。与SiC MOSFET和GaN器件相比,它非常易于驱动,其品质因数RDSA与芯片面积归一化的导通电阻(ON-resistance)非常出色。这种器件由于采用垂直架构,具有极低的内部电容,使开关转换损耗极低。 SiC FET拥有非常快的体二极管,可减少电机驱动等应用中的损耗,并且不需要使用外部SiC肖特基二极管。

 

SiC FET(共源共栅)RDSA:通过芯片面积比较归一化导通电阻

 

UnitedSiC的新款SiC FET产品在1200Vds时,其RDS(on)可接近9mΩ,650Vds的产品可以做到7mΩ的器件。如此低的阻抗得益于良好的银烧结贴片工艺技术,并与Si IGBT,Si MOSFET和SiCMOSFET栅极驱动电压兼容。这就让客户可以在既有的设计平台上的电路进行设计。如果是新设计,UnitedSiC FET可提供更高的开关频率,从而带来显著的系统优势,能够实现更高效率,并可减小磁性元件和电容器等无源元件的尺寸和成本。

 

而且,UnitedSiC的SiC FET的驱动电压范围可以覆盖到±20V的范围,这对于Si IGBT,SiFET,SiCMOSFET或Si超结器件可以轻松升级,而不需要做任何的设计更改。

 

 

由于SiC FET的门槛电压Vth不会随着温度的变化而变化,在高温或低温情况下都会保持良好的开关特性,因此它在并联上的应用就会展现优异的性能,尤其是在高功率EV 逆变器中具有明显的优势。在使用并联TO247-4L 器件上,可显著降低成本。在损耗方面,对于8kHz,200KW的产品而言,每个开关使用6x并联SiC FET可以将损耗降低近3倍。这将大大提升电机效率,从而使得电动车得到更高的里程数。

 

 

对于在较低的电池电压系统应用上,UF3SC65007K4S与基于IGBT的系统具有更高的效率。通过650V,7mΩSiC FET的使用,除了作为用于替代辅助侧二极管的同步整流器之外,它可以大大降低在顺向导通过程中二极管发热的问题。

 

UF3SC在固态断路器中具有优势

 

 

与其他二极管特性不同的是,由于UF3SC无法产生电弧,所以可作为电阻丝的保护装置。据介绍,SiC FET会自动限制饱和电流,其内部的短路电流会被内部通道所抑制。UnitedSiC的工程师介绍了由6颗芯片并联而成的保护开关,其阻抗可小到2mΩ,在大电流工作过程中,可以限制其最高电流,因此它是作为固态电子保护器的元件最佳候选。

 

此外,在60KVA 逆变器的使用中,在传统设计上,该功率水平通常是通过电源模块来实现,但现在可以通过UnitedSiC分立器件来实现高功率等级的设计。

 

 

与具有类似额定值的IGBT相比,WBG器件被认为比较昂贵,针对这一问题,UnitedSiC工程师表示,由于WBG的原材料较为昂贵,价格上恐略有上浮,但通过技术的演进,许多产品的价格已经接近于Si等级MOSFET的产品。虽然IGBT依旧是电动机的主力,但随着材料的演进,目前已有很多厂商在对基于SiC FET进行电机的开发。未来还会在成本方面进行考量,但WBG无疑是高效率器件的首选,随着电动车的强劲趋势,这个市场需求前景依旧光明。

 

总结

 

得益于UF3SC 业界最低的RDS(on)SiC FET以及UnitedSiC先进的SiC技术,UF3SC在性能,效率,可靠性和成本效益方面都有着不俗的表现。

 

UnitedSiC是市场上唯一一家可以使用Si驱动的SiC元件。旗下的SiC FET等当代WBG器件是下一代EV电机驱动器的真正强有力竞争者,能够在苛刻汽车环境下提供更好的性能、更低的总体成本、以及经过验证的可靠运行。因此,预计未来十年碳化硅器件将成为动力传动系统的主导技术。


关键字:UnitedSiC  SiC 编辑:muyan 引用地址:http://news.eeworld.com.cn/manufacture/ic482367.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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