SiC设计系列终结篇：富昌电子基于SiC MOSFET的电动汽车逆变器方案及其设计要点
碳化硅为宽禁带材料，具有高导热系数、高击穿场强、高电子饱和漂移速率等优异的材料特性，因此适合作为高耐压、高温、高频及抗辐射等操作的功率半导体器件设计的材料基础。
宽禁带半导体器件创新及革命性的技术为各种应用带来显著的功率效率。第三代半导体主要是以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的先进电子器件，其器件与模块应用范围，涵盖开关电源充电器和适配器、伺服电源、太阳光伏逆变器、轨道交通、新能源汽车驱动、充电桩等高效率、高密度需求的电力电子应用。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高转换效率、节省空间并减轻重量、减少零件数量，从而降低整体系统成本，进一步促进系统的可靠度及低耗能发展。
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1.1方案概述
为了推广SiC的应用，富昌电子从2019年开始推出基于SiC的逆变器方案。该方案基于NXP Power架构主控MCU平台，融合了ON隔离预驱芯片及碳化硅功率器件，以及NXP电源管理芯片，可实现汽车功能安全标准ISO26262的ASIC C/D级别功能安全要求。该控制器可对碳化硅的错误状态进行检测（过流与过温），同时通过增减碳化硅功率器件的并联数量，可满足不同工况的使用要求，从而实现对电机项目的快速开发。符合功能安全的电源管理芯片可监测主控芯片的运行，进一步确保了整个系统运行的可靠性。
1.2设计规格
系统的设计规格如表1。由于采用平台化的设计，通过改变主要元器件的型号规格及散热器结构，该方案的可输出不同的额定功率，以满足不同客户的需求。
适用电机 | 三相BLDC/PMSM | 控制方式 | FOC转矩控制 |
功率效率 | ≥94% | 冷却方式 | 液冷 |
额定功率（kW） | 60 | 最大功率（kW） | 80 |
额定输入电压（Vdc） | 336 | 额定输入电流（A） | 180 |
额定输出电压（Vac） | 230 | 额定输出电流（A） | 150 |
输出最大电流（A） | 200 | 短路电流（A） | 300 |
最高转速（RPM） | >10000 | 控制电源（V） | 12 |
过压保护点（V） | 450 | 欠压保护点（V） | 250 |
表1 系统设计规格
1.3方案原理框图
系统方案原理框图如图1。
图1 SiC逆变器方案原理框图
1.4 主要功能特点
• 可实现汽车功能安全标准ISO26262 ASIC C/D级别功能安全要求。
• 3路双通道大电流隔离预驱。
• 基于变压器绝缘技术，优秀的绝缘性能。
• 主控MCU与电源管理芯片均可使碳化硅功率器件进入失效安全模式。
• 每路碳化硅功率器件可并联3 ~ 6个。
• DESAT保护与软关断功能。
• 短路、过流、过温、过压、欠压保护。
• 米勒钳位功能（AMC）。
• 采用车规级元器件，核心器件通过AEC-Q100认证。
1.5 SiC逆变器测试结果
SiC逆变器电流测试波形
图2 SiC逆变器UVW三相电流波形
热成像仪下测得的逆变器温度
测试条件如下：
散热器材质：高导系数的氮化铝
冷却模式：水冷
水冷流速：8L/Min
直流母线电压：380VDC
负载: 电抗器（相电流峰值338A）
工作10分钟后，热成像仪记录的最高温度为54.1度，如图3所示。
图3 338A峰值相电流下SiC功率器件热成像仪图像
从热成像仪记录的温度可看出，与IGBT功率器件相比，SiC的开关损耗是很低的，在同样的输出功率情况下，SiC可以有更高的开关频率（FOC矢量控制载波频率），更低的开关损耗，功率器件的发热量更小。一般对于大功率的应用场合，例如180kW以上的高压应用，推荐采用SiC功率器件。
SiC逆变器设计中有很多需要注意的事项，例如开关损耗，功率器件的保护，并联设计等等，在后面的章节具体来讲。
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SiC MOSFET 专门用于驱动控制，能够在比IGBT高出五倍的开关频率下工作。碳化硅MOS管不产生拖尾电流（如图4所示），可有效改善开关损耗，提升系统的效率，使设计更紧凑，更可靠和更高效。主要应用于高效节能的场合，如太阳能逆变器，高压电源和高效率驱动器。
图4
影响开关性能的主要因素有：
• 关断能量(Eoff)取决于Rg和Vgs-OFF (负偏置栅极电压)
• 开启能量(Eon)取决于Rg
• 米勒效应影响Eon和Err (反向恢复损耗)
• 栅极驱动电流的要求
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推荐工作区的最低关断电压，是以确保整个产品寿命周期内,在Inom和Tj = 125°C时RDS(on)的增加不会超过初始值的15%为标准。RDS (on)的增量取决于工作电流Id 和结温Tj，如图5所示。
图5
最后要注意的是，最低峰值门极电压绝不能超过数据表中的最大额定值。
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4.1 退饱和保护功能（DESAT）
碳化硅（SiC）MOSFET已成为太阳能逆变器、车载和非车载电池充电器、牵引逆变器等各种应用领域中硅（Si）IGBT的潜在替代品。与（Si）IGBT相比，SiC MOSFET对短路保护要求更为严格。为了充分利用SiC MOSFET，保证系统的稳定运行，需要一种快速可靠的短路保护电路。英飞凌、ON和ST等都具有先进保护功能的IGBT和SiC隔离门驱动器，可用于各种系统设计，以保护开关器件免受各种过流和短路故障的影响。采用快速保护功能，提高了系统设计的通用性和系统的稳定性，从而避免功率器件在短路工况下被击穿损坏的风险。如图6所示：
图6
4.2 寄生电容与米勒效应
寄生导通效应对栅极的电感反馈和电容反馈可能导致半导体开关产生不必要的导通。如果使用了碳化硅 MOSFET，则通常需要考虑米勒电容产生的电容反馈，图7解释了这种效应。低边开关S2的体二极管导通负载电流IL ，直至高边开关S1导通。在负载电流换向到S1之后，S2的漏源电压开始上升。在这个阶段，不断上升的漏极电位通过米勒电容CGD 上拉S2的栅极电压。然后，栅极关断电阻试图抵消并拉低电压。但如果电阻值不足以降低电压，则电压可能超过阈值水平，从而导致击穿、增加开关损耗。击穿事件的风险和严重程度取决于特定的操作条件和测量硬件。高母线电压、电压陡峭上升和高结温是最关键的工作点。这些条件不仅会严重地上拉栅极电压，还会降低阈值。硬件方面的主要影响因素有：不必要的且与CGD并联的寄生电路板电容，与CGS并联的外部电容，栅极关断电压以及栅极关断电阻。
图7：体二极管关断期间米勒电容CGD的影响
图8：米勒钳位保护的例子
功率模块上的dV/dt越高，米勒电压越高，因此错误接通的可能性越大
CRSS/CISS比，与米勒电压直接相关
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通过使用并联连接多个单独的MOSFET来提高功率开关的性能是SiC功率器件的常见做法。本节讨论了并联碳化硅（SiC）MOSFET有关的问题。
碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽带隙（WBG）材料具有优异的电学和热学性能。对于相同的额定电压和额定电流值，与硅功率器件相比，SiC功率半导体器件具有更小的管芯面积、更高的工作温度、更高的工作频率和更低的开关损耗。为了获得更高的电流额定值，在实际应用中大量采用SiC并联的方式，即使开关频率可能因此会受到一定的限制。SiC MOSFET是第一个在超高压、超高频和大功率应用中面临并联多个晶体管挑战的器件。在超过200 kHz的频率范围内，母线电压水平高达950V，这使得关键的MOSFET并联，需要特别注意，以尽可能降低开关损耗。对于功率半导体器件的并联运行，电流不平衡是主要问题，因为它可能会导致不均匀的传导损耗和开关损耗。稳态电流不平衡会导致不均匀的瞬态电流分布，并会进一步导致设备中更高的损耗不平衡和电流失调。并联功率半导体器件中的电流不平衡主要来自两个不同的方面：
• 第一个方面与器件自身差异有关。
• 第二个方面与不对称电路布局有关。在MOSFET的器件参数中，当SiC MOSFET并联时，导通电阻（Rds(on)）和栅极阈值电压（Vgs(th)）对均流性能都有显著影响。因此，需要确定并联良好性的关键参数，并确保并联SiC MOSFET的器件和电路相匹配。
5.1 不平衡并联应用后果
电流不平衡的原因有多种，不平衡可能由设备参数不匹配、门驱动器不匹配、电源电路不匹配或者更接近现实的是，这些可变因素的混合产生，不平稳的结果可能会导致特定设备超过其峰值电流或连续热额定值，并最终导致功能器件的损坏。
5.2 设备参数不匹配
由于制造业固有的公差，当并联两个或多个SiC MOSFET时，总电流在器件之间通常不均衡。在以下情况下，需要考虑不平衡的主要来源：导通电阻（Rds(on)）和栅极阈值电压（Vgs(th)）。
5.3 Rds（on）不匹配
从简单的并行电阻计算考虑，如果我们考虑一对具有20% Rds(on)方差的装置，相对于典型的数据表值，具有较低的Rds(on)的器件在传导状态下应该携带比具有更高的Rds(ON)的电流大1.5倍的电流。因此，这两个设备切换不同的电流水平，导致不同的损耗。
作为这一点的衡量标准，图9的例子说明了两个1200V 50A并联设备之间的关断损耗是如何不平均分摊的，这些设备的电气特性非常相似（V(BR)DSS， VGS(th)…），但其Rds(on)与典型值相差±20%。
图9
这种效应部分由SiC MOSFET温度特性补偿。对于常见应用的温度范围，SiC MOSFET器件具有正温度系数（PTC）特性。与硅MOSFET类似，结温越高，并联部件的共享电流越小，最终达到热平衡。图10显示了STMicroelectronics高压SiC MOSFET的电流产生的RDS(on)与温度的关系。
图10
5.4 VGS（th）漂移现象
除了传导损耗（其不平衡可以通过RDS(on) PTC特性来缓解）外，还必须考虑开关损耗不平衡。Vgs(th)差异导致电压较低的设备比电压较高的设备更早开启，更晚关闭。即使采取了一些预防措施，例如使用具有相同RDS(on)的设备和用于温度负反馈的公共散热器，总能量也不能在并联设备之间平均分配。
图11
由于Vgs(th)（图11）的负温度系数（NTC）特性，初始阈值差会增加，从而增大开关损耗，因此热失控的风险不可忽略，尤其是当开关损耗大于传导损耗时。
5.5 门驱动器匹配差异
门电路的尺寸是在快速切换以最小化功率损耗的必要性和避免可能振荡的必要性之间进行平衡的结果。一旦固定了电压摆幅、所需RDS（on）的正值和抗噪性的负值，则必须以适当的方式选择栅极Rg值和拓扑。
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氮化镓、碳化硅以及硅材料半导体之间存在诸多差异。首先，氮化镓半导体目前的目标电压范围为 80V 至 650V，在最高开关频率下提供中等功率。氮化镓和碳化硅半导体在最大功率密度下具有非常高的效率，同时开关损耗都比硅基半导体低。
氮化镓与碳化硅功率电子器件半导体之间的差异在于，与氮化镓相比，碳化硅功率半导体具有卓越的栅极氧化物可靠性、出色的易用性，而且非常坚固，采用的是垂直晶体管概念，而氮化镓采用的则是横向晶体管概念。
氮化镓和碳化硅为应用解决方案领域带来了不同的优势。然而，材料优势取决于其应用。例如，碳化硅在高温高压应用中表现优异，如大功率串式逆变器。就高温能力而言，较低的温度系数和高阻断电压能力最能满足应用需求。
在终极功率密度方面，氮化镓更胜一筹。这在结构体积非常有限的应用中尤其如此，例如数据中心的开关电源，因为在特定的空间内，功率水平会增加。这种情况下，效率和高开关频率的结合将应用推向了其他技术难以企及的新水平。
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选择IGBT还是SiC，一般是根据客户控制器的输出功率大小及直流母线电压的大小来决定，如图12。
图12 IGBT与SiC的选择
从上图可看出，400V及功率120kW以下，一般选择IGBT。功率150kW，IGBT与SiC各有优势。当功率超过180kW，无论是400V还是800V系统，一般选择SiC。
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富昌电子系统设计中心可以提供从产品方案介绍到评估，以及开发工具包、参考设计、演示板、概念验证和其他各种设计咨询服务的完整解决方案。
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作者：鹏程万里，如鱼得水
校稿：小马哥，周公
关键字：碳化硅，SiC，SiC MOSFET，逆变器，新能源汽车，电动汽车，富昌电子
参考文献：
【1】碳化硅电动汽车控制器方案开发笔记，Cary.Yu，Eric.Que, Acre.Peng, Future Electronics 2019
【2】A practical example of hard paralleling SiC MOSFET modules，Infineon Technologies 2019
【3】Gate driver design cookbook for SiC MOSFETs and SiC MOSFET modules，Infineon Technologies
【4】Guidelines for CoolSiC™ MOSFET gate drive voltage window，Infineon Technologies 2019
【5】Application of SiC MOSFETs，On the Effect of Threshold Shift of SiC MOSFETs，ON Semiconductor 2017
【6】Design rules for paralleling of Silicon Carbide Power MOSFETs，STMicroelectronics
【7】Comparative analysis of driving approach and performance of 1.2 kV SiC MOSFETs, Si IGBTs, and normally-off SiC JFETs，STMicroelectronics 2015
【8】如何调整碳化硅 MOSFET 驱动减少功率损耗，L. Abbatelli, C. Brusca, G. Catalisano，STMicroelectronics 2015
【9】SiC MOSFET短路特性及保护方法，Infineon Technologies 2020
京公网安备 11010802033920号