你将学习:
- SiC mosfet与其他功率晶体管的优势。
- SiC可在电动汽车快速充电中发挥关键作用。
- 在800伏充电架构中，SiC提供了硅同行的多种优势。
在降低供电成本的同时提供更高的功率密度和效率是电力行业面临的挑战。行业倡议和全球法规是推动这一努力的动力能源之星，欧盟备用计划，80 +铂,小盒子的挑战．
碳化硅功率晶体管
碳化硅(SiC)的击穿电压为300千伏/毫米波，是硅的10倍。SiC的导热性大约是硅的三倍，因为SiC器件可以在175°C以上的温度下工作。为硅设计的封装不适合碳化硅器件，因此它们有自己独特的封装。
与其他功率晶体管相比，SiC mosfet提供了决定性的优势:
- 指定导通电阻(RDS(上))的应用，这允许更高的电流密度每个设备，并减少设备的尺寸和重量。
- 导通电阻过温变化小，允许设计在较高温度下工作的设备。当组件温度升高100℃(25℃~ 125℃)时，RDS(上)硅增加了2倍，SiC增加了1.5倍。
- 碳化硅器件内部电容的大幅度降低。
- SiC功率器件具有非常小的反向电容(Cgd）.
- 碳化硅功率晶体管具有极高的开关速度。
功率设计师需要在SiC晶体管电路设计方面的专业知识，因为这些半导体比mosfet具有更高的开关速度。这是因为寄生元素在设计过程中越来越需要更多的考虑。SiC MOSFET驱动方法也更复杂，需要设计师高度的专业知识。以下部分将帮助新设计师了解基本的SiC设计架构。
SiC门驱动器
SiC功率开关与栅极驱动器一样好，这提高了SiC功率设计的效率，具有强大的驱动电流，高共模瞬态抗扰度(CMTI)，以及短的传播延迟(见图)．CMTI的定义是以kV/us或V/ns为单位的两个隔离电路之间共模电压的最大可容忍升降速率。
与传统的mosfet或igbt相比，在开启或关闭瞬态时，在高开关频率(超过2倍的dv/dt和5倍的di/dt)下工作时，CMTI是栅极驱动器中的一个关键参数。CMTI对于几乎所有处理两个独立接地参考点之间的差分电压的栅极驱动器都是至关重要的，例如在隔离栅极驱动器中。
SiC栅极驱动器中的电容隔离技术允许在大于1.5 kV的情况下使用最高的工业寿命RMS40多年了!
SiC器件在电动汽车快速充电中的应用
电动汽车(EV)市场正在迅速增长，这可以从今天上路的电动汽车数量的大幅增加中看出。对电力设计师来说，为这些电动汽车充电是一项挑战。选择碳化硅功率晶体管设计可以实现快速、高压充电，这是电动汽车车主的首选。SiC功率技术具有高的击穿场强、低的通态电阻和低的断态漏电流。我们将关注最新的快速充电趋势，以及使用SiC电源设备的车辆到电网(V2G)应用。
最近，我们看到了电池容量和电池管理技术的显著提高。最新的电动汽车的续航里程可达200英里左右，据估计，300英里的续航里程正迅速成为常态。市场上的车型已经拥有超过400-500英里的巡航里程。不过，“里程焦虑”的问题仍需解决。
要真正促进电动汽车市场的可持续发展，电动汽车用户需要一个充电时间较短的充电基础设施。要求在12 ~ 15分钟内达到电池容量的80%等充电水平。这种需求可以通过在更高的电压下充电，安全地实现这种快速充电器所需的更高功率输出。
设计一个高电压导致低电流的充电器。这将减少充电电缆的功率损失，并减少电池过热。车辆的重量和空间也可以缩小，因为更小的电缆使用更少的铜。另一个优点是，更小的电缆尺寸将降低这些电缆和相关连接器的成本。
汽车电网
电动汽车充电器还需要支持车辆到电网(V2G)技术。它将在道路车辆上启用强大的储能系统(ESS)，并帮助缓解电网的负荷高峰。
我们如何应对这一挑战?一个例子涉及大型工业和商业能源用户，他们为峰值功率和高平均功率因数支付罚款。通过部署双向直流快速充电器，能够在高峰负荷期间从为员工电动汽车充电切换到为企业场所或电网供电，这是一个非常引人注目的经济案例。
SiC救援与800-V架构
碳化硅是使高压快速充电器成为可能的主要技术。在这样的体系结构中，SiC器件与硅器件相比有几个优势:
- 高10倍的击穿场可以在比硅更小的模具区域内产生高的阻塞电压。现代SiC器件支持MOSFET阻塞高达1700 V;硅超结mosfet通常限制在900伏以下。
- 与硅器件相比，SiC器件提供更低的通态电阻和更低的断态泄漏电流，从而允许更高的效率。
- 极低或没有反向恢复电流，以及在3到5倍的系统频率下切换的能力，减少了电容器和磁铁的尺寸和重量。
- 三倍高的导热系数和承受更高芯片温度的能力降低了冷却需求。在许多情况下，这导致散热器更小或没有散热器。
总结
本文介绍了碳化硅器件相对于硅器件的优点，特别是在功率密度方面。我们为电源设计人员强调了SiC功率器件的工具和一般理解。很明显，SiC功率晶体管在许多重要领域都远远优于硅器件，尤其是在功率密度方面。
还介绍了栅极驱动器和快速电动汽车充电器的设计，特别是在电动汽车充电和V2G应用中。最后，讨论了一种适合现代电动汽车的高速汽车充电器的最佳800 v结构。
参考文献
- 碳化硅和氮化镓应用于高频功率，德州仪器
- A Deep Dive the Isolated Gate Driver robust - dv/dt (CMTI)， Texas Instruments, 2018, APEC
