設(shè)計(jì)人員在電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車中提高能量轉(zhuǎn)換效率的重點(diǎn)是配備緊湊封裝和組裝的高熱可靠性電力電子模塊的設(shè)備，以減少開關(guān)損耗。

設(shè)計(jì)參數(shù)不同，并考慮到車輛動(dòng)力總成系統(tǒng)中的功率水平、轉(zhuǎn)換效率、工作溫度、熱能耗散能力和系統(tǒng)封裝。

碳化硅與氮化鎵

電動(dòng)汽車的電力電子產(chǎn)品富含碳化硅 (SiC) 解決方案，可滿足所有這些高功率應(yīng)用所需的設(shè)計(jì)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(dòng)汽車 (EV) 行業(yè)的采用率非常高。全球 OEM 已宣布超過 3000 億美元的電動(dòng)汽車投資，我們預(yù)計(jì)未來十年內(nèi)所有制造的車型中有 20% 將實(shí)現(xiàn)電氣化，”Cree 副總裁兼電源總經(jīng)理 Jay Cameron 說。

SiC 和 GaN 被稱為“寬帶隙半導(dǎo)體”(WBG)，因?yàn)閷⑦@些材料的電子從價(jià)帶炸開到導(dǎo)帶需要能量：而在硅的情況下，這種能量為 1.1eV，它是SiC(碳化硅)為 3.3eV，GaN(氮化鎵)為 3.4eV。

盡管在概念層面上有相似之處，但 SiC 和 GaN 組件不可互換，而是根據(jù)它們?cè)谄渲羞\(yùn)行的系統(tǒng)中的使用參數(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 和金剛石等基板可以改善熱管理。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 在低電壓 (<200V) 產(chǎn)品中保持其地位，例如緊湊型 USB PD 充電器。在 600V 和 650V 之間的范圍內(nèi)，這兩種技術(shù)在低于 2kW 的應(yīng)用中都能很好地工作。

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)會(huì)限制高溫下的應(yīng)用，從而降低器件和系統(tǒng)成本。

“由于碳化硅在汽車行業(yè)的大量采用，我們看到了碳化硅成為更多電源設(shè)計(jì)中最具成本效益的解決方案的途徑，”杰伊卡梅隆說?！疤蓟枋擒囕d充電器的關(guān)鍵解決方案。與硅實(shí)施相比，功率密度和效率的改進(jìn)可以大大減少體積和重量。”

“我們的產(chǎn)品還支持雙向 OBC 設(shè)計(jì)，支持 V2x(車輛到車輛、車輛到電網(wǎng))趨勢(shì)。憑借我們的 1200V 和 650V 設(shè)備組合，我們能夠同時(shí)滿足 800V 和 400V 電動(dòng)汽車架構(gòu)的要求，”Jay Cameron 說。

Cree 的解決方案

Cree 宣布擴(kuò)大其產(chǎn)品組合，推出 Wolfspeed 650V 碳化硅 MOSFET，用于更廣泛的工業(yè)應(yīng)用，主要包括電動(dòng)汽車、數(shù)據(jù)中心和其他可再生能源解決方案。

碳化硅 MOSFET 提供高能效，為新的智能電網(wǎng)提供下一代雙向車載充電和儲(chǔ)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(dòng)汽車和數(shù)據(jù)中心是可以從該技術(shù)中受益的兩個(gè)領(lǐng)域，主要源于其高效率、高功率密度的特性。與硅替代品相比，您可以看到傳導(dǎo)損耗減半，開關(guān)損耗降低 75%，功率密度提高 70%。這些優(yōu)勢(shì)非常適合電動(dòng)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。

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圖 1：Wolfspeed 650V MOSFET 具有較低的開關(guān)損耗和較低的傳導(dǎo)損耗 [來源：Cree/Wolfspeed]

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 的開關(guān)損耗降低了 75%，傳導(dǎo)損耗降低了 50%，從而可能使功率密度增加 300%。更高的效率和更快的開關(guān)速度使客戶能夠設(shè)計(jì)具有更高性能的更小解決方案。

“當(dāng)電源設(shè)計(jì)人員使用碳化硅時(shí)，他們可以在他們的產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)最高效率，使他們能夠從相同的外形尺寸獲得更多的功率，從更小的外形尺寸獲得相同的功率，或者最大限度地提高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(duì)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。散熱越容易，設(shè)備運(yùn)行的溫度就越低，這會(huì)放大低導(dǎo)通電阻隨溫度變化的影響，”杰伊·卡梅倫 (Jay Cameron) 說。

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圖 2：歸一化 R DS(on)與溫度 [來源：Cree/Wolfspeed]

結(jié)論

全碳化硅模塊正變得越來越廣泛，無論是標(biāo)準(zhǔn)封裝還是圍繞碳化硅優(yōu)化的新模塊設(shè)計(jì)?！拔覀儼l(fā)布的 XM3 系列 1200V 碳化硅半橋顯示了當(dāng)封裝設(shè)計(jì)時(shí)考慮到碳化硅時(shí)的改進(jìn)。我們還積極支持模塊制造商開發(fā)基于我們的碳化硅芯片的模塊，他們的創(chuàng)新設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的性能，”杰伊卡梅隆說。

對(duì)性能不斷增長的需求推動(dòng)了碳化硅解決方案的廣泛采用，提供了非凡的成熟度。許多工業(yè)應(yīng)用正在增加它們的采用。

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圖 3：降低 6.6kW 雙向車載充電器設(shè)計(jì)中的總系統(tǒng)成本 [來源：Cree/Wolfspeed]

根據(jù)市場(chǎng)研究，最賺錢的市場(chǎng)將是電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛汽車，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，考慮到與優(yōu)化蓄電池性能的要求相匹配的新設(shè)備的熱特性和效率。

審核編輯：湯梓紅