低导通电阻,碳化硅导入电动汽车的最大理由

  美国能源信息管理局《2020年年度能源展望》预计,到2050年,美国的用电量将从2020年的40000多亿千瓦时增长到55000亿千瓦时。不仅在美国,在世界范围内,增长的用电量将部分来自包括电动汽车(EV)在内的交通电气化。现在是采用新技术让用电量的增长不那么陡峭的时候了。

  碳化硅(SiC)就是这样的技术,谈到导入电动汽车应用,人们最关心的痛点莫过于成本,总是在质疑碳化硅器件本身的价格如何。记得英国一位作家在讽刺对事物的短视而没有看到大局的人时说过:他们“知道一切东西的价格,却不知道任何东西的价值”;还说“成功是一门科学;如果你有条件,你就会得到结果”。

  对于当前人们关注的碳化硅难道不是如此吗?如果你只计算器件本身的价格,而忽略了其他计算方法,不去计算创新和不去创新的代价,无疑是一种短视的行为,也许要为此付出更大的代价。

  今天,就聊聊在关注碳化硅价格的同时,还应该认真研究其之所以昂贵的道理,乃至它带给我们的综合成本优势。

  新技术迭代不是可有可无

  从历史上看,每一代技术都有着不同的含义,刚出来的东西就是贵。晶体管是在1945年发明的,1970年袖珍计算器才出现;又过了15年,摩托罗拉才推出了第一部手机,可以看到,新技术的采用并不那么快。

  现在,时代不一样了,新一代半导体开关技术的迭代越来越快,下一代宽带隙技术已处于起步阶段,有望进一步改善许多应用领域的效率、尺寸和成本,特别是用SiC和GaN制作的宽带隙器件。SiC已经从5年前的商业起步发展到今天的第三代,价格已与硅开关相差无几,特别是在考虑到综合效益的情况下。

  随着电动汽车、可再生能源和5G等领域的创新步伐不断加快,工程师们越来越多地在寻找新的解决方案,并对技术提出了更多要求,以满足消费者和行业的需求。碳化硅半导体是满足这些需求的优选答案,随着其本身的不断改进,实现与旧技术相比具有成本竞争力的性能指日可待。

  尽管大多数工程师认识到与硅基产品(如IGBT和Si-MOSFET)相比碳化硅的潜在优势,但还是把它放在了“可有可无”的清单上。不过,随着碳化硅价格的下降、性能和可靠性的提高,其性能得到改善,可靠性得到了证明,在清单中的地位就会调高,被当作现有旧技术器件的替代品和新设计的起点。

  碳化硅的采用快慢取决于应用,所以电动汽车工程师成为了早期采用者,因为提高效率一直是一个高度优先选择,在评估了复杂的成本效益关系后,工程师已没有理由不做出改变了。

  导通电阻是一个硬指标

  碳化硅的固有优势有很多,如高临界击穿电压、高温操作、具有优良的导通电阻(Rdson)/片芯面积和开关损耗、快速开关等。其中导通电阻是一个非常关键的指标。

  以UnitedSiC采用常关型共源共栅的最新第三代SiC-FET器件为例,在1200V和650V其导通电阻已达到同类产品最低,分别小于9mΩ和7mΩ。这种器件具有低损耗体二极管效应以及固有的抗过电压和短路能力,与Si-MOSFET或IGBT一样易于驱动。事实上,其TO-247封装可以替代许多这类器件,实现即时的性能提升。对于新的设计,还有一种低电感、热增强型DFN8x8封装,利用了SiC-FET的高频性能。

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  1200V和650V第三代器件的导通电阻值比较

  Wolfspeed(Cree旗下公司)刚刚推出了第三代15mΩ和60mΩ(25℃下导通电阻)的650V SiC MOSFET,进一步降低了开关损耗,提高了功率效率和功率密度。

  降低损耗的一个关键参数是低导通电阻。新型MOSFET在整个工作温度范围内以分立封装提供业界最低的导通电阻,不仅降低了开关损耗,还以更高的开关频率减小了系统中变压器、电感、电容和其他无源元件的尺寸和重量。为了克服寄生电容随着开关频率的增加而增加的开关损耗,Wolfspeed实现了更低的寄生电容,60mΩ型号小信号输出电容Coss仅为80 pF;15mΩ型号为289 pF。

  与硅基方案相比较,新型650V SiC MOSFET能够降低75%开关损耗和50%导通损耗,从而有望带来300%功率密度提升。设计工程师现在可以满足甚至超越业界极为严苛的效率标准。新器件适合电动汽车市场的车载双向充电机,有助于设计师以更高效率和更快开关设计出更小尺寸的方案。其车用AEC-Q101认证也为之后车用认证650V MOSFET铺平了道路。

  导通电阻与温度密切相关

  功率晶体管有几个重要的参数或品质因数(FoM),如漏源电阻、导通电阻和开关损耗Eoss等。这些数字通常在数据表中提供,但并不总是显而易见的是,这些数字是如何随温度变化的。它们还受到片芯面积的影响,这就产生了单位面积导通电阻(RdsA)的品质因数。

  当然,这些数字是“典型”的,通常是在25℃的工作温度下给出的。它们也是在这些“典型”条件下从导通电阻派生而来的,这些“典型”条件无法考虑导通电阻如何随温度变化,更重要的是,这些数字在架构之间是如何变化的。

  以UnitedSiC的UF3C065040K3S 650V SiC共源共栅器件为例,这一点就更加明显了,该器件在25℃下的导通电阻最大值为52mΩ(典型值为42mΩ)。650V超结MOSFET的导通电阻最大值为45mΩ(典型值为40mΩ),可见超结器件在这种特殊的FoM中表现更好。然而,如下图所示,在温度过高的条件下,情况就大不相同了。当接近150℃时,超结器件的导通电阻达到96mΩ,而SiC共源共栅器件的导通电阻仅为78mΩ。事实上,即使在175℃下,SiC器件的导通电阻仍然只有78mΩ,远低于超结器件的导通电阻。

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  SiC共源共栅和超结MOSFET器件的导通电阻

  从图中可以显看出,SiC共源共栅器件的导通电阻的增加率远低于超结MOSFET,这一点很重要,因为正是这个FoM影响了所有其他器件,所以如果你的应用在高于25℃的温度下运行,那么就要随温度变化更仔细地观察导通电阻。

  这种低传导损耗的相关性在于,SiC共源共栅FET在较高的温度下消耗的功率较少,在150℃时比超结器件少30%。由于耗散的功率也会导致温升,因此,较低的耗散损耗意味着较低的总体温度,因此,导通电阻更低。较低的导通电阻也意味着应用可以携带较高的电流,在使用这些器件的应用中,这具有更重要的意义。这种FoM的另一个积极影响是,片芯面积可以保持最小,这有助于减少开关和体二极管的损耗。

  SiC共源共栅FET的过温导通电阻的低增加率是该技术的一个固有特点,这是由于SiC中使用的掺杂水平较高所致。这导致了电子迁移率下降缓慢,在所有半导体材料中,电子迁移率随着温度的升高而增加。如果再加上它在栅极电荷和其他FoM方面的优点,那么工程师们就会了解如何使用SiC共源共栅FET帮助他们在系统级进行重大的设计改进并降低成本。

  数据表让我们深入了解器件在一系列条件下的工作方式,但重要的是要了解它们是如何受温度影响的,而不是对不同类型的器件进行全面的假设。

  考虑总体物料清单成本,而非器件本身

  在所有应用市场,特别是电动汽车应用,都能从降低耗电成本和以较低成本提供相同或更高功能所占用的空间中获益——具有竞争力和可持续性地满足市场需求。

  现在,车企需要扩大续航里程,降低BOM成本,以有效地与根深蒂固的内燃机(ICE)竞争。为此,制造商需要更大容量的电池系统,这可以通过增大电池尺寸或提高能效来实现。不幸的是,电池尺寸的增加也会增加车辆的重量,从而增加功耗。相反,通过同样大小的电池提供更多的能量来获得更高的能效会带来更轻的重量、更好的节能效果,最重要的是,降低了消费者的“里程焦虑”。

  新的650V碳化硅器件有助于在几个方面降低成本。与硅基650V MOSFET相比,碳化硅器件的导通损耗降低了50%,开关损耗降低了75%,而功率密度提高了三倍,因此,不仅可以实现更高效率,而且还可以降低磁性元件和冷却器件的BOM成本。

  例如,电动汽车的6.6kW双向车载充电机(OBC)的典型AC/DC部分包括四个650V IGBT、几个二极管和一个700-µH电感,占材料清单成本的70%以上。如果该设计使用四个650V SiC MOSFET实现,则只需要230 µH的电感。这比基于IGBT的设计降低了将近18%的材料清单成本。由于磁性元件成本显著降低,在OBC的DC/DC部分也可以看到类似的节省。

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  BOM成本比较表明,碳化硅基MOSFET充电机方案可节省15%成本

  此外,加快上市也意味着减少了时间成本。Wolfspeed的全球应用工程团队为OBC应用创建了一个6.6kW的双向设计,其DC link为380V至425V,电池侧输出为250V至450V。AC/DC侧采用高效、经济的图腾柱拓扑结构,这是硅基方案在不降低复杂性和元件数量的情况下所无法实现的。同时,DC/DC侧的开关频率高达150kHz至300kHz,比典型的硅实现方法快了3倍。

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  UnitedSiC工程副总裁Anup Bhalla博士同样认为,采用新技术后其他相关元件(如散热器、电感器/变压器和电容器)的尺寸、重量和成本也随之降低。在极端情况下,整个冷却系统本身效率也可以降低,甚至可以节省更多的成本。特别是在电动汽车牵引逆变器应用中,效率的提高是一个良性循环,因为基于碳化硅的逆变器中的元件更小、更轻,所以电池充电的续航里程更长。

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  看系统成本,SiC低于IGBT解决方案

  他说:“在空间受限和需要节能的领域,低损耗就是驱动力。碳化硅具有高功率效率和高导热性,非常适合高功率密度应用。基于碳化硅的设计更轻,因为它们可以更好地处理热量,在更高的环境温度下工作,需要更少的笨重热管理解决方案。它们还可以实现更高的开关频率,所需的磁性元件和其他无源元件更小、更轻。在电动汽车应用中,更高的牵引逆变器效率意味着更小的散热尺寸和成本,以及更长的车辆里程,加上没有冷却组件,效率会更好,而且有助于降低成本、尺寸和环境负担。”

  导通电阻的未来

  Anup Bhalla博士说,碳化硅的优点从一开始就很明显,它的宽禁带提高了临界击穿电压和额定温度。更好的是,单位面积导通电阻的性能指标比Si-MOSFET高2.5倍,比同电压等级的IGBT高13倍,开关损耗低,因为器件电容低,热导率是硅的10倍。

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  碳化硅在所有重要方面都胜过了硅

  碳化硅技术仍在不断发展,有望获得更好的性能。在下一代中,导通电阻将随着开关损耗进一步下降,额定电压将增加,片芯将进一步缩小,产量提高,从而降低成本。更多的变型和更广泛的封装选择将出现,以适应更高电压和功率等级的应用范围。

  他承认,碳化硅仍处于进化曲线的起点,它还能走多远呢?随着技术的进步,碳化硅未来也面临着挑战,如晶圆需要更厚,以适应较高的加工温度,从而提高了成本,而一些参数目前只会以牺牲其他参数为代价进行改进。但是不管怎样,追求更低导通电阻将是无止境的。

  这里我们可以根据碳化硅如何模仿硅器件的发展做出一些预测:

  还是导通电阻,器件的单元设计(Cell design)将进一步完善,让更小的片芯具有更小的导通电阻和更快的开关速度;减小的片芯尺寸将直接导致更低的器件电容,这意味着在开关过程中更低的能量损失和更低的栅极驱动损耗;随着越来越多地使用“层叠共源共栅”,额定电压将增加到1700V或更高,可以在几千伏增加电流额定值,并达到传统的键合线封装的极限,因此无引线器件将变得普遍,这也将反过来使开关频率更高。随着技术的成熟,可靠性将得到越来越多的证明,随着成品率的提高和片芯尺寸的缩小,成本有望降低。

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  关键SiC开关参数今天(蓝色)和未来(橙色)的发展

  Anup Bhalla博士表示,随着有远见者将用户和环境效益加入到价值方程中,系统节能越来越倾向于采用SiC-FET的设计决策。不过,还有更多的事情要做;如果系统是围绕SiC-FET设计的,开关频率可以提高,而不会显著损害效率,甚至可以消除分立整流二极管和缓冲网络等元件。

  总结一下

  据Goldman Sachs统计,在汽车中采用SiC MOSFET增加的成本大约为300美元,而估计节省的成本可达2000美元。因此,2019至2030年,SiC MOSFET市场将占功率半导体增量增长的约50%。

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  采用SiC MOSFET增加成本与节省成本

  意法半导体汽车和分立器件产品部大众市场业务拓展负责人Giovanni Luca Sarica认为,电动汽车50%的总成本与功率器件有关。SiC在电动车制造中可以节约成本。在电动汽车驱动电机和逆变器中,采用SiC MOSFET的逆变器有以下优势:开关损耗可降低80%;可以直接集成逆变器;无需另外安装液体冷却器;热管理性能更好;充电时间更快。他强调:“与硅基器件相比,SiC的成本优势不在于器件本身成本,而是体现在车辆总体成本方面,可为汽车制造商节省很多钱。”

  此时此刻,我们有了SiC,成功的条件已经具备,而且它只会越来越好。如果你做一个价值计算,你可能会惊讶地发现不采用新技术,不去创新也是有代价的。


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