长距离电动汽车应用中 SiC 功率器件的有效实现

电动和混合动力电动汽车 (EV/HEV) 的电池颇受关注，然而实际上，工程设计却是整个动力管理子系统 — 包括基本电机驱动、车载和外部充电器、功率使用和再生制动等功能 — 对于提高 EV 性能同等重要。因此，随着 EV 需求量持续增长，人们越来越重视改良组件的开发和采用，以此优化 EV 电池使用情况并延长汽车行驶里程。

从以标准金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)，过渡到以基于碳化硅 (SiC) 基底和工艺技术的场效应晶体管 (FET) 作为功率控制器件，标志着向 EV 能效和系统级整体特性提升迈出重要一步。然而，需要深入了解 SiC 器件的关键规格和驱动要求，才能充分发挥其优势。

本文概述了 EV 和 HEV 的动力要求，解释 SiC 基功率器件非常适合此类功能的原因，并阐明其辅助器件驱动器的功能。本文先简要讨论 AEC-Q101 标准对于汽车级合格分立式器件的意义，然后介绍 ROHM Semiconductor 推出的两款符合 AEC 标准的 SiC 功率器件，并重点强调成功设计必须考虑的关键特性。

为 EV 和 HEV 提供动力

内燃机 (IC)、EV 和 HEV 等所有汽车对动力子系统的需求一直呈指数级增长，以支持高级驾驶员辅助系统 (ADAS)、电动车窗、车门和后视镜、内部网络及连接、雷达、娱乐系统、GPS 等功能。

IC 车辆的主要电源通常是 12 V、100 至 200 Ah 标准铅酸电池。不过，相较于 EV 电池，IC 电量要求相对较小，因为 EV 电池还必须为“原动机”供电（图 1）。因此，EV 电池组容量范围为 50 至 150 kWh，具体取决于车辆功能、尺寸和供应商，电压典型值为 200 至 300 V。如需进行可行的比较，则使用以下公式将其转换为 Ah：Ah = (kWh × 1,000)/V。

图 1：EV 基于电池的动力子系统为牵引电机及相关功能，以及如今驾驶员所期望的许多标准特性和功能供电。（图片来源：ROHM Semiconductor）

除了使用许多小型 DC/DC 转换器实现内部功能和充电外，许多 EV（但不全是）还通过直流/交流 (DC/AC) 转换器为牵引电机提供变频交流电 (AC)。牵引电机的额定功率范围从低端车辆的约 150 马力 (hp) 到顶级特斯拉的 500 hp 以上。按 1 hp 约等于 750 W 计算，电机的耗电量相当大。

动力子系统整体能效的决定因素众多，其中最重要的还属开关稳压器的性能。该器件可获取原始电池电量，并转换为传动系统和电池充电所需的电压/电流。

原因很简单：电流水平达到数百安培时，基本的阻抗 (IR) 压降就成了关键参数。例如，100 A 时，即便只是 100 mΩ 的导通电阻 (R_DS(ON)) 也会在两方面产生不利影响：一是 10 V 的输送电压损耗，二是必须管理 100 W 的耗散功率 (I²R)。除 R_DS(ON) 损耗外，DC/AC 和 DC/DC 转换器的开关损耗也会降低能效，缩短电池续航时间，并且增加要耗散的热负荷。

为什么要考虑 SiC？

针对这些静态损耗，降低 IR 压降和 I²R 损耗的常用策略有两种：1) 降低导通电阻；2) 提高系统工作电压从而降低所需电流，却可为负载提供等量功率。任何可降低动态开关损耗的器件改进（通常与器件物理特性、开关频率及其他因素有关）都会产生巨大影响。

过去数十年间，市面上主要的功率开关器件是硅 (Si) 基 MOSFET 和绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)。尽管技术进步显著提高了器件性能，但改进已基本进入平台期。与此同时，在 EV 领域，规格更佳的开关器件才具有可行性和吸引力。

所幸过去数十年间，另一种固态 MOSFET 工艺技术已然成熟：这种技术基于由相等数量的硅和碳通过共价键连接而成的碳化硅 (SiC) 材料，而非全硅材料。尽管 SiC 拥有百余种不同型态（独特结构），但由于生产和加工原因，4H 型和 6H 型最受青睐。

相较于全 Si MOSFET，SiC MOSFET 在许多关键属性上具有绝对优势：

• SiC 的临界电场约为 Si 的 8 倍，因此非常适合用作功率半导体器件。高介电强度可使芯片更薄，掺杂层相对较厚，因而损耗更低。
• SiC 的导热率约为 Si 的 3 倍，因此产生的全部热量都可以通过传导传递，材料本身的温度自然就低得多。
• SiC 的熔点相当高，工作温度可达 400℃ 以上（标准 Si 器件最高达 150℃）。较高的工作温度显著简化了冷却要求，使 SiC 器件即使在更高的环境温度下工作，温差仍足以支持热量的传导和对流。
• SiC 支持的最大电流密度是硅器件的 2 至 3 倍，因此在给定功率水平下可以降低元器件和系统成本。

如表 1 所示，标准硅、4H SiC 和 6H SiC 本身的物理级临界电气特性规格显然各有不同。SiC 的带隙能量和临界电场值较高，因而工作电压相对较高；电子和空穴迁移率较小，导致开关损耗较低，因而工作频率较高（所需滤波器和无源元器件也相对较少）。此外，较高的导热率和工作温度也简化了冷却要求。

表 1：硅、两种型态的 SiC 与金刚石（用以对照）的基本材料级关键电气特性。（表格来源：Semantic Scholar）

SiC 成熟度与 AEC-Q101

不过，SiC 器件从理论推断过渡到具体实现，发展并非一帆风顺。但是在过去十年间，经过数次更新换代，每一次都伴随着工艺的改进和结构的重大变化，SiC 基 MOSFET 已经发展成熟。

例如，ROHM Semiconductor 长期以来提供的第 2 代 SiC 器件已广泛应用于汽车领域。第 2 代 SiC 器件等标准 SiC MOSFET 大多采用共面结构，随着单元尺寸减小将逐渐接近 FET 内阻下限（图 2）。相比之下，ROHM 的第 3 代产品采用双沟槽结构（栅极沟槽和源极沟槽），从而有效减小沟道尺寸和导通电阻。

图 2：ROHM 的 SiC 器件由第 2 代过渡到第 3 代，伴随着工艺的改进和结构的重大变化。（图片来源：ROHM Semiconductor）

ROHM 的第 3 代 SiC MOSFET 采用专有沟槽式栅极结构。相较于现有的共面型 SiC MOSFET，这种结构使导通电阻减少 50％，输入电容减少 35％，从而显著降低开关损耗，提高开关速度和能效。此外，相比 600 V 和 900 V 的器件，1200/1800 V 的 SiC MOSFET 芯片面积更小（因此封装尺寸更小），体二极管的恢复损耗也相对较低。

符合 AEC 标准

伴随着 SiC 器件趋于成熟及几次迭代的另一个问题是能够完全符合 AEC-Q101 标准。该标准基于美国汽车电子委员会 (AEC) 颁布的一套规范。该委员会由主要汽车制造商和美国电子元器件制造商组成，负责构建汽车电子可靠性测试体系。主要协议有：

• AEC-Q100（IC 器件）
• AEC-Q101（MOSFET 等分立元器件）
• AEC-Q102（分立光电元件）
• AEC-Q104（多芯片模块）
• AEC-Q200（无源元器件）

相比工业应用中广泛采用的其他标准，AEC-Q101 标准更为严格。AEC 规范设立了一系列等级，如表 2 所示。SiC 器件可以满足 0 级（-40℃ 至 +150℃），而全硅器件往往达不到该等级。1 级适用于车内应用，确保器件可在 -40℃ 至 +125℃ 的环境温度范围内稳定运行，但传动系统和发动机舱内应用则需要 0 级。

表 2：相比商业和工业应用中采用的其他标准，AEC 可靠性鉴定标准更具挑战性。（表格来源：Texas Instruments）

请注意，据某些供应商报告称，工业应用开始逐步采用 AEC-Q100 系列规范以确保增强可靠性。从成本角度来看，此举确实可行，因为电子设备和元器件广泛应用于汽车，显著降低了工业应用与汽车应用之间的价格差异。

SiC 器件支持中、高电流设计

SiC 器件不单单适用于 EV 的高电流应用。除传动系统外，许多低功率功能（例如电动座椅/车窗、座椅和车厢加热器、电池预热器、交流电机、动力转向系统）也可受益于 SiC MOSFET 的特性。

例如，ROHM 的 SCT3160KL 是一款 N 沟道 SiC 功率 MOSFET，经优化负载高达 17 A（图 3）。该器件采用 TO-247N 封装，尺寸仅为 16 mm（宽）x 21 mm（高）x 5 mm（厚），通过背面的散热接片可轻松连接至散热器（图 4）。由其顶级规格可知，该器件适用于中等电流和功率要求的应用（表 3）。

图 3：ROHM 的 SCT3160KL 是一款基本 N 沟道 SiC 功率 MOSFET，负载高达 17 A。（图片来源：ROHM Semiconductor）

图 4：SCT3160KL 封装尺寸为 16 mm × 21 mm × 5 mm，通过背面的散热接片可提供增强的散热功能。（图片来源：ROHM Semiconductor）

表 3：SCT3160KL 的基本规格表明，该器件适合驱动 EV 中许多较小负载或为其他应用供电。（表格来源：ROHM Semiconductor）

如最大安全工作区域 (SOA) 图所示，该 SiC 器件适用于脉冲工作周期，典型代表为高压开关电源和高压稳压器（图 5）。

图 5：SCT3160KL 的 SOA 图显示并规定了漏电流、漏源电压和脉冲功率处理的最大限值。（图片来源：ROHM Semiconductor）

当然，电流越大，SiC 基器件的优势最明显。ROHM 的 SCT3022AL 也是一款采用 TO-247N 封装的 N 沟道 SiC 功率 MOSFET。由其主要规格（表 4）和 SOA（图 6）可知，由于导通电阻较小，额定电流较大，该器件适用于电机驱动功率转换、电池管理以及 EV 电池充电。

表 4：由于导通电阻较低及其他属性，ROHM 的 SCT3022AL N 沟道 SiC 功率 MOSFET 适用于较高电流设计。（表格来源：ROHM Semiconductor）

图 6：SCT3022AL N 沟道 SiC 功率 MOSFET 的 SOA 示意图清楚表明，该器件可有效支持电流和功率相对较大的应用。（图片来源：ROHM Semiconductor）

SiC FET 的辅助栅极驱动器

无论是硅 MOSFET、SiC FET 还是 IGBT，功率器件本身只是功率转换/控制设计的一部分。实际上，大功率“信号链”运行需要三大功能：控制器、栅极驱动器和功率半导体。

在驱动特性方面，SiC 器件与 Si 器件（和 IGBT）虽有类似，却仍有较大差异。例如，由于 SiC MOSFET 的跨导较低，从线性（阻性）区到饱和区的过渡相对平缓，不似 Si 器件一般明显，因此导通状态下，SiC 器件的栅源电压 (V_GS) 大于 20 V，而关断状态下则介于 -2 V 至 -5 V 之间（因为 V_GS 阈值的噪声容限较低）。

SiC 驱动器需要满足以下条件：

• 供电电压相对较高（25 至 30 V），通过低传导损耗实现高能效
• 具有较大驱动电流（典型值 > 5 A）、低阻抗和快速压摆率以及随时间变化的瞬态电压变化率 (dV/dt)，使驱动电流流入和流出栅极电容时开关损耗更低
• 快速短路保护（典型响应值 <400 ns），因为 SiC 器件的开关速度比 Si 器件快
• 降低传播延迟值和器件间偏移（同样可提高能效）
• 最后，具有超高 dV/dt 抗扰度，可确保在高电压大电流工作环境中稳定运行

SiC 基 FET、Si MOSFET 与 IGBT 的差异一览表如下。

表 5：虽然 Si 基 MOSFET 和 IGBT 的驱动要求大致相同，但 SiC 器件的驱动规格却大不相同。（表格来源：Texas Instruments）

由于这些器件与各种其他系统拓扑因素都在高压下运行，因此设计标准中通常包括爬电距离和间隙尺寸相关的监管问题。此外，在控制器和功率器件之间进行电流（阻性）隔离总是必要之举。

要实现电流隔离，可以使用独立元器件布置于控制器和驱动器之间，也可以使用多芯片驱动器的内置功能。后者可使整体占用空间更小，但是一些设计人员更倾向于使用独立隔离器，以便选择隔离技术（例如磁、光、电容）以及性能规格。

例如，Texas Instruments 的 UCC27531-Q1 是一款符合 AEC-Q100 标准（1 级）的非隔离式单通道高速栅极驱动器，可用于 SiC（及其他）器件（图 7）。V_DD 为 18 V 时，峰值拉电流高达 2.5 A，灌电流达 5 A。不对称驱动模式下的强大灌入功能，提高了系统免受寄生米勒导通效应干扰的能力。驱动 1800 pF 负载时，传播延迟为 17 ns（典型值），快速上升/下降时间为 15/7 ns，因此该器件适合驱动 SiC 器件。

图 7：Texas Instruments 的 UCC27531-Q1 非隔离式栅极驱动器，满足 SiC 开关器件的技术要求。（图片来源：Texas Instruments）

这款采用 6 引脚 SOT-23 封装的小型驱动器看似功能简单，却能有效满足 SiC 器件的特定驱动需求。

该器件的输出级采用独特的架构，从而在最需要时提供峰值拉电流，即功率开关导通时的米勒平台区域，此时功率开关漏极/集电极电压的 dV/dt 最大（图 8）。实现方法是在输出由低电平转为高电平时，栅极驱动器短暂输出峰值拉电流，N 沟道 MOSFET 则在这一瞬间实现快速导通。

图 8：Texas Instruments 的 UCC27531-Q1 栅极驱动器增加了特殊电路和时序，最大限度地增大拉电流，并在 SiC 功率器件最需要的瞬间提供。（图片来源：Texas Instruments）

Power Integrations 的 SIC1182K 是隔离式 SiC 驱动器解决方案，这款 8 A 单通道 SiC 栅极驱动器具有高达 1200 V 的高级有源钳位和增强隔离。请注意，这款隔离式 SiC 驱动器模块未符合 AEC 标准，不过 Power Integrations 推出的类似产品 SID11x2KQ MOSFET/IGBT 栅极驱动器系列是符合 AEC-100 1 级标准的。例如，SID1182KQ-TL 是一款 8 A/1200 V 单通道 IGBT/MOSFET 栅极驱动器。

SIC1182K 采用 16 引脚 eSOP-R16B 封装（9 mm x 10 mm x 2.5 mm），具有 9.5 mm 的爬电距离和间隙（符合监管规定），以及亦可作为散热路径的有效初级侧接地连接（图 9）。隔离采用该公司专有的固体绝缘子 FluxLink 技术，而该驱动器已获得 VDE 0884-10 认证，并正在申请 UL 1577 认证。

图 9：Power Integrations 的 SIC1182K 隔离式 SiC 栅极驱动器引脚 3、4、5 和 6 的合并连接，可提供导热路径以及有效的初级侧接地连接。（图片来源：Power Integrations）

SIC1182K 可通过同一个检测引脚实现导通阶段的短路保护，以及关断时的过压限制（通过高级有源钳位）。隔离式栅极驱动器必须连接初级/次级侧电源和地、逻辑控制和驱动输出。如需实现更强大的驱动能力，也提供其他连接（图 10），其中包括：逻辑故障信号（开漏）、输入检测（导通短路检测和关断过压限制）、自举和电荷泵电压源，以及次级侧基准电位。

图 10：SIC1182K 隔离式 SiC 栅极驱动器增加的引脚可以在实际电路中增强驱动能力，多用于解决故障和不良问题。（图片来源：Power Integrations）

总结

可行的 EV 应用必须具备高端电池和高性能电源管理，而两者均可由 SiC MOSFET 等先进的功率开关器件提供。如上所述，第 2 代和第 3 代 SiC 器件的多个性能参数在导通电阻、损耗、开关性能和热性能等方面均优于现有的 Si 器件。

然而，为了充分发挥这些高性能 SiC 器件的潜力，设计人员还必须选择符合应用需求的栅极驱动器。