碳化硅MOSFET 大大提高了高温稳定性

jianchaoi · 发表于 2019-1-17 18:15:07

Si MOSFET管因为其输入阻抗高，随着其反向耐压的提高，通态电阻也急剧上升，从而限制了其在高压场合的应用。SiC作为一种宽禁代半导体器件，具有饱和电子漂移速度高、电场击穿强度高、介电常数低和热导率高等特性。Wolfspeed的SiC MOSFET管具有阻断电压高、工作频率高且耐高温能力强，同时又具有通态电阻低和开关损耗小等特点，是高频高压场合功率密度提高和效率提高的应用趋势。

SiC与Si性能对比
简单来说，SiC主要在以下3个方面具有明显的优势为:

1、击穿电压强度高（10倍于Si）

2、更宽的能带隙（3倍于Si）

3、热导率高（3倍于Si）

这些特性使得SiC器件更适合应用在高功率密度、高开关频率的场合。

SiC MOSFET性能明显优于Si MOSFET
1.极其低的导通电阻RDS(ON)，导致了极其优越的正向压降和导通损耗，更能适应高温环境下工作。

2.SiC MOSFET管具有Si MOSFET管的输入特性，即相当低的栅极电荷，导致性能卓越的切换速率。

3. 宽禁带宽度材料，具有相当低的漏电流，更能适应高电压的环境应用。

SiC MOSFET与Si MOSFET在设备中应用对比

现代工业对电力电子设备提出了许多新的要求，要求体积小、功率大、发热量小、设备轻便等。面对这些新要求，Si MOSFET一筹莫展，而SiC MOSFET 就开始大显身手了。通过对SiC MOSFET管与Si MOSFET管相关电气参数进行比较，我们可以肯定SiC MOSFET将成为高压高频场合中应用的主流器件，可谓应用SiC MOSFET者得天下。
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图1：SiC MOSFET与Si MOSFET在设备中应用的对比图

低电阻特性，SiC具有低电阻特性，在同等电压和电流等级的MOSFET中，SiC MOSFET 的内阻要几倍小于Si MOSFET 的内阻，且SiC的模块体积小型化，有利于增加系统功率密度。

高速工作特性，SiC MOSFET相对于Si MOSFET具有更高频率的工作特性，使系统中的电容电感器件体积小型化，减小系统整体体积，同时也降低了生产加工成本。

高温工作特性，SiC MOSFET比Si MOSFET更适合应用于高温工作环境，原因在于一方面SiC MOSFET 自身损耗小，发热量小，自身温升相对较小，另一方面，热导率高3倍于Si MOSFET。
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图2：SiC与Si性价比对照图

有了以上特性对比结果，我们可以清楚的认识到SiC MOSFET 性能全面优于Si MOSFET。虽然单个SiC MOSFET价格高于Si MOSFET，但是应用了SiC MOSFET的系统设备整体价格低于应用Si MOSFET的设备，原因在于SiC MOSFET各项优秀性能使得设备中的电容容值减小、电感降低、散热片面积和体积减少以及设备整体体积和成本明显减小。

Tesla已经把碳化硅MOSFET用到了其主驱动控制器上面，从长远来看，全球碳化硅(SiC)功率半导体市场将从2017年的3.02亿美元，快速成长至2023年的13.99亿美元，随着整车企业越来越多的在功率电子里面采用碳化硅器件，未来于主逆变器、车载充电器(OBC)，以及直流-直流(DC-DC)转换器等部件都会有很大的改变。特斯拉(Tesla)便已在旗下Model 3电动车中采用SiC金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)元件，来降低传导和开关损耗。

特斯拉在Model S和Model 3之间进行了技术跨代的设计和技术跃迁。Model S 功率电子的的设计目标是通过现成的和可用的技术快速满足整车的功率和性能要求。而在Model 3上面，工程设计人员可能更关注大规模生产，设计和功率密度优化。这清楚地表明电动汽车市场开始在电力电子创新方面处于领先地位。

1）主逆变器

特斯拉是第一家在其Model 3中集成全SiC功率模块的车企，工程设计部门直接与意法半导体的合作，特斯拉逆变器由24个1-in-1功率模块组成，这些模块组装在针翅式散热器上。如下图所示，实际的连接还有很多的细节，在拆解过程中发现，为了有效的做好这些连接，使用了大量的激光焊接的工艺，来把MOSFET与铜母线相连。
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Tesla的逆变器里面拆解出来的SiC的器件（24个SiC MOSFET模块）

之前两siC供应商纷纷宣布进入特斯拉的供应链，大家可能都没注意这个变化是很快的，德国芯片制造商英飞凌(Infineon)宣布，其功率器件产品获得特斯拉汽车（Tesla）采用，供货将用于新款Model 3车型。
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这是继意法半导体（ST）之后，英飞凌成为Tesla Model 3第二个供应源。
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图2 里面的SiC器件

以特斯拉为开端未来将有愈来愈多的车企会在主逆变器中采用SiC功率半导体，特别是中国车商，近几年更是纷纷考虑使用SiC功率元件。SiC作为碳和硅的化合物，具有介于金刚石与硅中间的性质，其具有良好的硬度和耐热性，也作为电子元件的原材料使用。当SiC作为功率元件使用时，具有非常卓越的性能，与以往的Si半导体相比，SiC半导体具有更加地低损耗、高耐压、高率工作及高温工作的特征，采用了SiC二极管和SiC晶体管的全SiC逆变器所具有的高效率这一特征，光伏发电用逆变器及铁路车辆的驱动用逆变器已开始全面采用SiC器件，在汽车领域EV和HEV上的采用，将会降低电池负担、实现整体的油耗节约有很大的关联性。

现阶段的新能源车，主要还是受补贴和大城市牌照两方面驱动着往前走，所以根据补贴的方向走，里面最重要的是百公里耗电。消费者实际在车辆整个周期内感受到的百公里耗电，而整个驱动系统的效率的优化，是车企真正的技术核心。它是一个稳定、可靠而持续的驾驶体验，在背后需要车企和自己的核心供应商在驱动系统、电池系统和整车控制方面有着真正的技术积累。而驱动系统的逆变器的效率核心在于功率部分的效率。

由于全球各家汽车OEM和Tie1试制的新型逆变器，可以应用在经过SiC-MOSFET中的电流其损耗降低并可以均等化排列的安装技术，新研发的逆变器与原有逆变器相比，能量损耗大幅减少，同体积的电力容量扩大了非常多。以整个行业标杆为例，汽车企业开始在2015年就采用SiC功率元件的试制车进行公路实验，从全球来看，这个已经演变成为整个行业的发展趋势。

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