物联网系统需要高集成度和小尺寸功率转换器

电动汽车革命即将来临。汽车公司拼命地寻求技术优势，驱动电动汽车的电力电子设备正在迅速发展。诸如碳化硅(SiC)之类的宽禁带FET技术有望显着提高效率，减轻系统重量并减小电池体积。在汽车设计中，SiC兑现了这些承诺，并推动了下一代电动汽车的创新。
 
SiC和其他宽禁带器件的基本优势源于它们的带隙，价带顶部和导带底部之间的能量差。电子从低能价带移动到高能导带使材料导电。将电子从价带移动到导带需要1.1 eV。另一方面，SiC具有3.2 eV的带隙，因此将电子移动到SiC导带需要更多的能量。对于给定的芯片尺寸，这意味着比硅器件更高的击穿电压。实际上，SiC芯片的优势更像是为电动汽车量身定制的，例如尺寸更小、更低的导通电阻(RDSON)和更快的开关速度等。
 
电动汽车的三个主要限制是充电时间，续航里程和成本。将逆变器电路的高压部分(称为DC链路)升压至800 V或至1,000 V可以降低电流，从而使电缆和磁性件的重量更轻。更高的电压要求开关器件具有更高的击穿电压，通常高达1200V。对于标准的硅MOSFET，将击穿电压缩放到该水平并保持高电流是不切实际的，因为必需的管芯尺寸变得更大。双极硅器件(主要是绝缘双极栅晶体管(IGBT))可以解决此问题，但会牺牲开关速度并限制功率转换效率。SiC的宽带隙允许单极FET器件(具有显着较小的裸片尺寸)表现出与传统IGBT相同的击穿电压和额定电流。此特性为电源转换系统带来了数项改进，同时允许更高的直流母线电压并减轻了车辆的重量。

为了提高电动汽车的续航里程，要么必须增加电池容量，要么必须提高车辆的效率。通常，提高电池容量会增加成本，尺寸和重量，因此设计人员将精力集中在提高车辆电源转换系统的效率上。使用正确的开关设备，设计人员可以提高电源开关频率，以提高效率，同时减小磁性元件的尺寸，从而降低成本和重量。此外，高效转换器需要更少的散热和冷却系统。
 
SiC FET自然会适应这些高开关频率，因为它们在每个充电/放电周期中消耗的能量很少。此外，SiC的材料特性与较小的裸片尺寸相结合，可以在较高温度下运行，而损耗比IGBT低。

Cree Wolfspeed E3M0065090D汽车SiC FET的RDSON如何随温度变化

与IGBT不同，SiC FET具有RDSON规范，并且额定RDSON随温度变化很小。该概念对于大功率电动汽车应用至关重要，在这些应用中，开关设备可处理千瓦的功率并经常达到高温。此外，IGBT通常针对最大电流进行了优化。在小于最大负载时，它们的传导损耗急剧增加。但是，SiC FET在低负载下仍保持其效率。这种行为在汽车中尤其有用，在汽车中，诸如牵引逆变器之类的系统会长期在不同的负载下运行。
 
SiC FET的所有这些改进共同带来了更高的效率，更小的电池，更低的成本，从而设计出更强大的电动汽车。但是，采用SiC技术要求设计人员学习新技术，并且一些最重要的技术都集中在栅极驱动器上。
 
具有较小芯片尺寸和较高开关频率的SiC FET需要略微不同的栅极驱动技术。较小的裸片尺寸使SiC FET更容易受到损坏，而较高的频率则需要具有更高性能的栅极驱动器。最后，SiC FET在截止状态下通常需要较高的栅极驱动信号和负栅极电压。最新的隔离式栅极驱动器集成了满足所有这些要求所需的功能。

许多高压汽车系统使用隔离设备(例如隔离的栅极驱动器)将低压控制器与系统的高压部分分开。大多数SiC FET设计中使用的高开关频率会使隔离的栅极驱动器遭受快速瞬变的影响。具有至少100 kV / µsec的共模瞬变抗扰度(CMTI)的栅极驱动器可以承受这些瞬变。此外，驱动器的传播延迟和通道间偏斜通常必须低于10 ns，才能使设计在如此高速下保持稳定。随着汽车系统将直流链路电压提高，隔离式栅极驱动器还必须具有足够的最大绝缘工作电压(VIORM)。由于技术的进步，设计人员可以简单地选择满足SiC FET系统需求的隔离式栅极驱动器。
 
许多新的隔离式栅极驱动器，例如Silicon Labs Si828x，还包括集成的Miller钳位和去饱和检测，以保护SiC器件。在半桥或全桥配置中，桥下半部分的开关器件在上部器件导通时，漏极上的电压会快速变化。这种变化会在栅极中感应出电流，以耗尽寄生电容，否则该寄生电容会通过栅极放电并导通下部器件。这种“米勒寄生开启”会导致击穿现象，这将迅速损坏SiC器件。
 
Silicon Labs Si828x隔离式栅极驱动器上的集成米勒钳位。
 
当集成的米勒钳位达到预设阈值时，它会形成栅极到漏极的寄生电容。此外，异常负载情况可能导致开关设备跌落到饱和状态并受损。但是，Silicon Labs Si828x栅极驱动器中集成了一个去饱和电路。如果开关设备上的电压上升到配置的阈值以上，则栅极驱动器会迅速做出响应并正常关闭它。它使用软关断电路来限制开关设备上的感应关断电压。
 
对于SiC FET，保护电路必须快速反应(通常在1.8微秒以下)才能生效。通过将这三个功能集成到栅极驱动器中，设计鲁棒，可靠的SiC功率转换器会变得简单。
 
Silicon Labs Si828x隔离式栅极驱动器上的集成去饱和电路。
 
驱动SiC FET的最后一个方面是在关闭FET时使用负电压。负电压与米勒钳位一起工作，以确保FET处于截止状态，这是控制高频功率转换器中的直通电流的至关重要的一个方面。产生必要的负电压轨的方法超出了本文的范围。但是，选择带有集成DC/DC转换器的栅极驱动器通常会简化设计。
 
总而言之，SiC开关提供前所未有的更快开关速度，更高效率和更高功率密度。此外，高击穿电压和热特性是电动汽车动力系统的基础需求。这些优势，加上隔离式栅极驱动器的改进功能，使其成为电气化革命中的核心技术。