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    羅姆第4代SiC MOSFET在電動汽車電控系統中的應用及其優勢

       日期:2022-03-09    
    核心提示:引言近年來,為了實現碳中和等減輕環境負荷的目標,需要進一步普及下一代電動汽車(xEV),從而推動了更高效、更小型、更輕量的電動系統的開發。尤其是在電動汽車(EV)領域,為了延長續航里程并減小車載電池的尺寸,提高發揮驅動核心作用的電控系統的效率已

    引言

    近年來,為了實現“碳中和”等減輕環境負荷的目標,需要進一步普及下一代電動汽車(xEV),從而推動了更高效、更小型、更輕量的電動系統的開發。尤其是在電動汽車(EV)領域,為了延長續航里程并減小車載電池的尺寸,提高發揮驅動核心作用的電控系統的效率已成為一個重要課題。SiC(碳化硅)作為新一代寬禁帶半導體材料,具備高電壓、大電流、高溫、高頻率和低損耗等獨特優勢。因此,業內對碳化硅功率元器件在電動汽車上的應用寄予厚望。

    羅姆第4代SiC MOSFET應用于“三合一”電橋

    近日,上汽大眾與臻驅科技聯合開發的首款基于SiC技術的 “三合一”電橋完成試制。據悉,對比現有電橋產品,這款SiC“三合一”電橋在能耗表現方面非常搶眼,每百公里可節約0.645kW·h電能。以上汽大眾在ID 4X車型上的測試結果為例,對比傳統的IGBT方案,整車續航里程提升了4.5%。由此可知,SiC電橋方案的優勢非常明顯。但作為一種新技術,SiC電控系統還存在一些開發難點,比如SiC模塊的本體設計,以及高速開關帶來的系統EMC應對難題。值得一提的是,臻驅科技此次完成試制的“三合一”電橋采用的是羅姆第4代SiC MOSFET裸芯片,充分發揮了碳化硅器件的性能優勢。

    羅姆于2020年完成開發的第4代SiC MOSFET,是在不犧牲短路耐受時間的情況下實現業內超低導通電阻的產品。該產品用于車載主驅逆變器時,效率更高,與使用IGBT時相比,效率顯著提升,因此非常有助于延長電動汽車的續航里程,并減少電池使用量,降低電動汽車的成本。

     

     

    圖 | 第4代SiC MOSFET和IGBT的逆變器效率比較

    羅姆第4代SiC MOSFET的獨特優勢

    羅姆作為碳化硅領域的深耕者,從2000年就開始了相關的研發工作,并在2009年收購碳化硅襯底供應商SiCrystal后,于2010年率先推出了商用碳化硅MOSFET,目前產品涵蓋SiC SBD、SiC MOSFET和全SiC模組,其中SiC SBD、SiC MOSFET可以裸芯片的形式供貨。羅姆在2015年發布了第3代也是第一款商用溝槽結構的SiC MOSFET產品,支持18V驅動。2020年,羅姆又推出了第4代SiC MOSFET。目前,不僅可供應裸芯片,還可供應分立封裝的產品。分立封裝的產品已經完成了面向消費電子設備和工業設備應用的產品線開發,后續將逐步開發適用于車載應用的產品。

    對比羅姆的第3代SiC MOSFET產品,第4代SiC MOSFET具有導通電阻更低的特點。根據測試結果顯示,在芯片尺寸相同且在不犧牲短路耐受時間的前提下,羅姆采用改進的雙溝槽結構,使得MOSFET的導通電阻降低了約40%,傳導損耗相應降低。此外,從RDS(on)與VGS的關系圖中,我們可以發現第4代SiC MOSFET在柵極電壓處于+15V和+18V之間時具有更平坦的梯度,這意味著第4代SiC MOSFET的驅動電壓范圍可拓展至15V-18V。

     

     

    圖 | 第3代和第4代SiC MOSFET導通電阻測試結果示意圖

    同時,第4代SiC MOSFET還改善了開關性能。通常,為了滿足更大電流和更低導通電阻的需求,MOSFET存在芯片面積增大、寄生電容增加的趨勢,因而存在無法充分發揮碳化硅原有的高速開關特性的課題。第4代SiC MOSFET,通過大幅降低柵漏電容(Cgd),成功地使開關損耗比以往產品降低約50%。

     

     

    圖 | 第3代和第4代SiC MOSFET開關損耗測試結果示意圖

    此外,羅姆還對第4代SiC MOSFET進行了電容比的優化,大大提高了柵極和漏極之間的電容(CGD)與柵極和源極之間的電容(CGS)之比,從而減少了寄生電容的影響。比如,可以減小在半橋中一個快速開關的SiC MOSFET施加在另一個SiC MOSFET上的高速電壓瞬變(dVDS/dt)對柵源電壓VGS的影響。這將降低由正VGS尖峰引起的SiC MOSFET意外寄生導通的可能性,以及可能損壞SiC MOSFET的負VGS尖峰出現的可能性。

    支持工具

    羅姆在下面官網的SiC介紹頁面中,介紹了SiC MOSFET、SiC SBD和SiC功率模塊等碳化硅功率半導體的概要,同時,還發布了用于快速評估和引入第4代SiC MOSFET的各種支持內容,供用戶參考。

    第4代SiC MOSFET的支持內容:

    ?概要介紹視頻、產品視頻

    ?應用指南(產品概要和評估信息、主驅逆變器、車載充電器、SMPS)

    ?設計模型(SPICE模型、PLECS模型、封裝和Foot Print等的3D CAD數據)

    ?主要應用中的仿真電路(ROHM Solution Simulator)

    ?評估板信息 ※如需購買評估板,請聯系羅姆的銷售部門。

     

     

    總結

    綜上,羅姆通過進一步改進自有的雙溝槽結構,使第4代SiC MOSFET具有低導通電阻、優秀的短路耐受時間、低寄生電容、低開關損耗等優點。憑借高性能元器件以及豐富的支持工具,羅姆將助力設計人員為未來的電力電子系統創建可行且節能的解決方案


    【關于羅姆(ROHM)】

    羅姆(ROHM)成立于1958年,由起初的主要產品-電阻器的生產開始,歷經半個多世紀的發展,已成為世界知名的半導體廠商。羅姆的企業理念是:“我們始終將產品質量放在第一位。無論遇到多大的困難,都將為國內外用戶源源不斷地提供大量優質產品,并為文化的進步與提高作出貢獻”。

    羅姆的生產、銷售、研發網絡分布于世界各地。產品涉及多個領域,其中包括IC、分立式元器件、光學元器件、無源元器件、功率元器件、模塊等。在世界電子行業中,羅姆的眾多高品質產品得到了市場的許可和贊許,成為系統IC和先進半導體技術方面的主導企業。

    【關于羅姆(ROHM)在中國的業務發展】

    銷售網點:起初于1974年成立了羅姆半導體香港有限公司。在1999年成立了羅姆半導體(上海)有限公司, 2006年成立了羅姆半導體(深圳)有限公司,2018年成立了羅姆半導體(北京)有限公司。為了迅速且準確應對不斷擴大的中國市場的要求,羅姆在中國構建了與總部同樣的集開發、銷售、制造于一體的垂直整合體制。作為羅姆的特色,積極開展“密切貼近客戶”的銷售活動,力求向客戶提供周到的服務。目前在中國共設有20處銷售網點,其中包括香港、上海、深圳、北京這4家銷售公司以及其16家分公司(分公司:大連、天津、青島、南京、合肥、蘇州、杭州、寧波、西安、武漢、東莞、廣州、廈門、珠海、重慶、福州)。并且,正在逐步擴大分銷網絡。

    技術中心:在上海和深圳設有技術中心和QA中心,在北京設有華北技術中心,提供技術和品質支持。技術中心配備精通各類市場的開發和設計支持人員,可以從軟件到硬件以綜合解決方案的形式,針對客戶需求進行技術提案。并且,當產品發生不良情況時,QA中心會在24小時以內對申訴做出答復。

    生產基地:1993年在天津(羅姆半導體(中國)有限公司)和大連(羅姆電子大連有限公司)分別建立了生產工廠。在天津進行二極管、LED、激光二極管、LED顯示器和光學傳感器的生產,在大連進行電源模塊、熱敏打印頭、接觸式圖像傳感器、光學傳感器的生產,作為羅姆的主力生產基地,源源不斷地向中國國內外提供高品質產品。

    社會貢獻:羅姆還致力于與國內外眾多研究機關和企業加強合作,積極推進產學研聯合的研發活動。2006年與清華大學簽訂了產學聯合框架協議,積極地展開關于電子元器件先進技術開發的產學聯合。2008年,在清華大學內捐資建設“清華-羅姆電子工程館”,并已于2011年4月竣工。2012年,在清華大學設立了“清華-羅姆聯合研究中心”,從事光學元器件、通信廣播、生物芯片、SiC功率器件應用、非揮發處理器芯片、傳感器和傳感器網絡技術(結構設施健康監測)、人工智能(機器健康檢測)等聯合研究項目。除清華大學之外,羅姆還與國內多家知名高校進行產學合作,不斷結出豐碩成果。

    羅姆將以長年不斷積累起來的技術力量和高品質以及可靠性為基礎,通過集開發、生產、銷售為一體的扎實的技術支持、客戶服務體制,與客戶構筑堅實的合作關系,作為扎根中國的企業,為提高客戶產品實力、客戶業務發展以及中國的節能環保事業做出積極貢獻。

     
      
      
      
      
     
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