碳化硅MOSFET在汽车动力逆变器中的优势有哪些呢？

新型电子研发组件在不断发展，也随之而来的是取得的成果。公司不断尝试开发越来越多的性能设备，特点是更高的效率和更好的电气特性。碳化硅（SiC）技术具有明显的优势，主要与其电气有关电阻。使用这项技术，可以获得相同的电阻比使用硅基技术但采用更小的质量。更小和因此，可以开发更高效的组件。由于开关损耗减少，可以使用较小的无源在更高的频率下工作组件。

此外，碳化硅器件可以运行在更高的温度下，可以采用降低热设计进行设计。他们因此，为汽车领域提供了理想的解决方案。更多好处使用碳化硅产生的损耗如下：功率损耗，最多可降低十倍，可以实现;设备可以在更高的电压下工作，具有电断裂场（V/cm）增加了10倍;冷却系数增加了两倍（导热系数宽/厘米x°C）;系数<>可改善频率响应。这些出色的电气和物理特性是原因大多数公司都使用碳化硅作为其主要技术。

应用

在过去几年中，制造基于SiC的逆变器原型的汽车公司数量急剧增加。如今，80%的汽车传动系统活动以某种方式涉及SiC，其余20%可能会效仿。

这SiC功率MOSFET、二极管和模块的主要汽车应用包括车载电动汽车（EV）充电器、DC/DC转换器和传动系统逆变器。P嵌式混合动力EV和电池EV（纯电动汽车）用途车载充电器，用于在家中或公共场所为车辆电池“加油”充电站。工作原理非常简单：充电器需要插座功率为90至265 VAC并将其转换为直流电为电池充电。传动系统设备用于纯电动汽车动力总成和商用车。这传动系统是一项重要且具有挑战性的应用。结果它为创新提供了巨大的机会。

SiC MOSFET提供业界最低的开关损耗和最高的品质因数。

E系列MOSFET（图1）是针对电动汽车电池充电器和高压DC/DC转换器进行了优化，以及在Wolfspeed的6.6 kW双向车载参考设计中采用充电器。

电动汽车操作

图2显示了一个框图，说明了基本电动汽车的操作。我们可以看到与主相关的块功能，例如车载充电器（允许连接到外部交流充电站）、无线充电器、DC/DC转换器、大功率DC/DC转换器（允许连接到DC快速充电站），以及逆变器—本文的主题。

电动汽车开发人员的首要任务是最大限度地利用车辆在电池充电后可以行驶的距离。在2012-2013年，电动汽车可以使用可用的高性能蓄能器保证约140公里的续航里程当时。如今，电池容量已大大增加，允许旅行两次充电之间的距离为400公里或更长。这确实是一个伟大的结果，与汽油发动机所能获得的相当。不过更长的距离能力需要更大的电池，而这反过来又需要更长的充电时间和车辆布线，可以支持必要的提高功率水平。

现有充电站可提供高功率水平，大约350 kWh或更高，因此已经具备支持在不久的将来，对充电的需求将不断增加。上在车辆方面，SiC被广泛用于提供所需的更高效率和高功率功能。

图3显示了非常常见的EV的原理图充电器，能够提供3.6至7.2 kWh的低功率。布局基于两级功率因数校正（PFC）电路和隔离式为高压电池供电的DC/DC转换器。用于改善功率系数操作时，升压二极管通常基于SiC技术。在原理图，升压二极管是标准元件，而不是附加组件解决方案，正如人们可能错误地假设的那样。碳化硅二极管允许更高的开关量频率比硅基等效物。期间记录的波形对罗姆的碳化硅二极管进行了多项测试半导体被发现极好，与使用标准650V快速硅二极管获得的结果。碳化硅二极管的温度依赖性几乎不存在，使其成为理想的解决方案适用于最苛刻的应用。

电动方程式逆变器

更换绝缘栅双极晶体管基于（IGBT）的逆变器与基于碳化硅的逆变器可以增加功率10%。使用SiC时，开关频率的最大变化为24 kHz，而SiC为16 kHz等效于IGBT的kHz。解决方案的总重量从15 kg到9 kg，总容积从14升下降到10升（30%减少）。由于罗门半导体执行的测试，可用功率增加。对于电动方程式赛车来说，这意味着快速加速，帮助赛车在起跑线上达到最高速度竞争并与顶级完成者一起越过终点线。

但是也必须考虑电池，因为它决定可用能量的数量。进行了碳化硅MOSFET仿真和罗姆半导体的分析揭示了该技术的主要优势。用于模拟的标准配置文件，3B类WLTP，测量速度，转数（RPM）和扭矩。仿真参考了100 kWh发动机、16kHz开关频率和750 V/33 kWh电池。二电源比较模块：BSM600D12 SiC 12，000-V/600-A模块和SKIM459GD12E4 IGBT模块。

罗姆进行了多次模拟并分析了结果。它发现使用SiC功率模块行驶了177公里的距离，向上从IGBT版本获得的159公里（图4）。因此，它结论是，仅仅改变制造技术就可能导致为客户提供直接和切实的利益，他们可以设计一个系统可以在电池相同尺寸或允许使用更小的电池，总成本较低，不影响性能（两次充电之间的行程距离）客户—驾驶员。

展望未来，我们期待功率密度增加。换句话说，所有的努力都集中在从最小的合理性中获得尽可能高的能量脚印。因此，更高功率的发动机将用更小的组件，降低每千瓦时的价格。

与传统的硅基器件相比，SiC功率器件需要更复杂，因此更昂贵的制造步骤。然而，最终，SiC的功率密度优势将使成本/性能等式向有利于其的方向转变。SiC将在汽车应用、DC/C充电电路和电源转换器中得到更广泛的采用。SiC逆变器将继续取代硅基IGBT逆变器，因为越来越多的开发人员希望利用碳化硅的效率和功率密度优势。

审核编辑：刘清