【導讀】電動汽車革命即將來臨。汽車公司拼命地尋求技術優(yōu)勢，驅動電動汽車的電力電子設備正在迅速發(fā)展。諸如碳化硅（SiC）之類的寬禁帶FET技術有望顯著提高效率，減輕系統(tǒng)重量并減小電池體積。在汽車設計中，SiC兌現了這些承諾，并推動了下一代電動汽車的創(chuàng)新。
電動汽車革命即將來臨。汽車公司拼命地尋求技術優(yōu)勢，驅動電動汽車的電力電子設備正在迅速發(fā)展。諸如碳化硅（SiC）之類的寬禁帶FET技術有望顯著提高效率，減輕系統(tǒng)重量并減小電池體積。在汽車設計中，SiC兌現了這些承諾，并推動了下一代電動汽車的創(chuàng)新。
SiC和其他寬禁帶器件的基本優(yōu)勢源于它們的帶隙，價帶頂部和導帶底部之間的能量差。電子從低能價帶移動到高能導帶使材料導電。將電子從價帶移動到導帶需要1.1 eV。另一方面，SiC具有3.2 eV的帶隙，因此將電子移動到SiC導帶需要更多的能量。對于給定的芯片尺寸，這意味著比硅器件更高的擊穿電壓。實際上，SiC芯片的優(yōu)勢更像是為電動汽車量身定制的，例如尺寸更小、更低的導通電阻（RDSON）和更快的開關速度等。
電動汽車的三個主要限制是充電時間，續(xù)航里程和成本。將逆變器電路的高壓部分（稱為DC鏈路）升壓至800 V或至1,000 V可以降低電流，從而使電纜和磁性件的重量更輕。更高的電壓要求開關器件具有更高的擊穿電壓，通常高達1200V。對于標準的硅MOSFET，將擊穿電壓縮放到該水平并保持高電流是不切實際的，因為必需的管芯尺寸變得更大。雙極硅器件（主要是絕緣雙極柵晶體管（IGBT））可以解決此問題，但會犧牲開關速度并限制功率轉換效率。SiC的寬帶隙允許單極FET器件（具有顯著較小的裸片尺寸）表現出與傳統(tǒng)IGBT相同的擊穿電壓和額定電流。此特性為電源轉換系統(tǒng)帶來了數項改進，同時允許更高的直流母線電壓并減輕了車輛的重量。
為了提高電動汽車的續(xù)航里程，要么必須增加電池容量，要么必須提高車輛的效率。通常，提高電池容量會增加成本，尺寸和重量，因此設計人員將精力集中在提高車輛電源轉換系統(tǒng)的效率上。使用正確的開關設備，設計人員可以提高電源開關頻率，以提高效率，同時減小磁性元件的尺寸，從而降低成本和重量。此外，高效轉換器需要更少的散熱和冷卻系統(tǒng)。
SiC FET自然會適應這些高開關頻率，因為它們在每個充電/放電周期中消耗的能量很少。此外，SiC的材料特性與較小的裸片尺寸相結合，可以在較高溫度下運行，而損耗比IGBT低。
Cree Wolfspeed E3M0065090D汽車SiC FET的RDSON如何隨溫度變化
與IGBT不同，SiC FET具有RDSON規(guī)范，并且額定RDSON隨溫度變化很小。該概念對于大功率電動汽車應用至關重要，在這些應用中，開關設備可處理千瓦的功率并經常達到高溫。此外，IGBT通常針對最大電流進行了優(yōu)化。在小于最大負載時，它們的傳導損耗急劇增加。但是，SiC FET在低負載下仍保持其效率。這種行為在汽車中尤其有用，在汽車中，諸如牽引逆變器之類的系統(tǒng)會長期在不同的負載下運行。
SiC FET的所有這些改進共同帶來了更高的效率，更小的電池，更低的成本，從而設計出更強大的電動汽車。但是，采用SiC技術要求設計人員學習新技術，并且一些最重要的技術都集中在柵極驅動器上。
具有較小芯片尺寸和較高開關頻率的SiC FET需要略微不同的柵極驅動技術。較小的裸片尺寸使SiC FET更容易受到損壞，而較高的頻率則需要具有更高性能的柵極驅動器。最后，SiC FET在截止狀態(tài)下通常需要較高的柵極驅動信號和負柵極電壓。最新的隔離式柵極驅動器集成了滿足所有這些要求所需的功能。
許多高壓汽車系統(tǒng)使用隔離設備（例如隔離的柵極驅動器）將低壓控制器與系統(tǒng)的高壓部分分開。大多數SiC FET設計中使用的高開關頻率會使隔離的柵極驅動器遭受快速瞬變的影響。具有至少100 kV / µsec的共模瞬變抗擾度（CMTI）的柵極驅動器可以承受這些瞬變。此外，驅動器的傳播延遲和通道間偏斜通常必須低于10 ns，才能使設計在如此高速下保持穩(wěn)定。隨著汽車系統(tǒng)將直流鏈路電壓提高，隔離式柵極驅動器還必須具有足夠的最大絕緣工作電壓（VIORM）。由于技術的進步，設計人員可以簡單地選擇滿足SiC FET系統(tǒng)需求的隔離式柵極驅動器。
許多新的隔離式柵極驅動器，例如Silicon Labs Si828x，還包括集成的Miller鉗位和去飽和檢測，以保護SiC器件。在半橋或全橋配置中，橋下半部分的開關器件在上部器件導通時，漏極上的電壓會快速變化。這種變化會在柵極中感應出電流，以耗盡寄生電容，否則該寄生電容會通過柵極放電并導通下部器件。這種“米勒寄生開啟”會導致擊穿現象，這將迅速損壞SiC器件。
Silicon Labs Si828x隔離式柵極驅動器上的集成米勒鉗位。
當集成的米勒鉗位達到預設閾值時，它會形成柵極到漏極的寄生電容。此外，異常負載情況可能導致開關設備跌落到飽和狀態(tài)并受損。但是，Silicon Labs Si828x柵極驅動器中集成了一個去飽和電路。如果開關設備上的電壓上升到配置的閾值以上，則柵極驅動器會迅速做出響應并正常關閉它。它使用軟關斷電路來限制開關設備上的感應關斷電壓。
對于SiC FET，保護電路必須快速反應（通常在1.8微秒以下）才能生效。通過將這三個功能集成到柵極驅動器中，設計魯棒，可靠的SiC功率轉換器會變得簡單。
Silicon Labs Si828x隔離式柵極驅動器上的集成去飽和電路。
驅動SiC FET的最后一個方面是在關閉FET時使用負電壓。負電壓與米勒鉗位一起工作，以確保FET處于截止狀態(tài)，這是控制高頻功率轉換器中的直通電流的至關重要的一個方面。產生必要的負電壓軌的方法超出了本文的范圍。但是，選擇帶有集成DC/DC轉換器的柵極驅動器通常會簡化設計。
總而言之，SiC開關提供前所未有的更快開關速度，更高效率和更高功率密度。此外，高擊穿電壓和熱特性是電動汽車動力系統(tǒng)的基礎需求。這些優(yōu)勢，加上隔離式柵極驅動器的改進功能，使其成為電氣化革命中的核心技術。
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