使用 SiC 與 GaN 電源元件來滿足電動車的設計需求

作者:Murray Slovick

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

汽車廠商目前正投入更多資源開發電動車 (EV),不過電動車的續航距離不夠遠依然是個問題。雖然空氣動力設計、更輕質的材料、更高效的電力使用會有所幫助,但還是不夠。汽車電力電子產品的設計人員需要使用先進的寬能隙半導體 (WBG) 材料,才能達到效率與功率密度的要求。

這些材料主要由氮化鎵 (GaN) 和碳化矽 (SiC) 組成,兩者均改良自現有的半導體技術,如矽 (Si) 金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET) 和絕緣閘雙極電晶體 (IGBT),可提供更少的損耗、更高的切換頻率和更高的工作溫度,能夠可靠地用於嚴苛的環境並具有高崩潰電壓。隨著產業開始轉用容量更高、充電時間更短、整體損耗更低,以高電壓運作的電池,這些材料更顯實用。

本文將概述 WBG 技術,及其在電動車電子業扮演的角色。然後介紹合適的 GaN 與 SiC 解決方案,如 ROHM SemiconductorSTMicroelectronicsTransphorm 以及 Infineon Technologies 的產品,並提供相關應用指南。

WBG 半導體的優點

從文獻可知,能隙是將電子從材料的價帶激化到導帶所需的能量,WBG 材料的能隙明顯大於矽的能隙 (圖 1)。Si 的能隙為 1.1 電子伏特 (eV);而 SiC 的能隙為 3.3 eV,GaN 的能隙為 3.4 eV。

Si 半導體導帶與價帶之間的能隙示意圖

圖 1:Si 半導體在導帶和價帶間的能隙,比 SiC 和 GaN 的能隙要窄,這也是後兩者稱為「寬能隙半導體」的原因所在。(圖片來源:STMicroelectronics)

相較於傳統的矽,WBG 半導體能讓元件在更高的電壓、頻率及溫度下工作。更重要的是,切換與導通的損耗也更低。WBG 材料比起 Si,在導通和切換屬性上優秀十倍左右。這些能力使得 WBG 技術順理成章成為電力電子產品的首選,特別是電動車,原因在於 SiC 和 GaN 元件能製成更小尺寸,且運作速度更快且更有效率。

WBG 元件雖有優點,但卻有製造複雜以及量產成本較高的問題,因此必須加以權衡。雖然 WBG 元件的初期費用較高,但成本會持續下降。一般來說,此元件可節省系統的整體成本。舉例來說,在電動車內採用 SiC 元件或許會增加數百美元的前期成本,但由於電池成本降低、空間需求減少、散熱措施得以簡化 (例如使用較小的散熱片或對流散熱),因此可以節省整體成本。

將 SiC 用於主逆變器

在電動車中控制牽引電動馬達的牽引逆變器,是可透過 WBG 元件受惠的關鍵電動車系統範例之一。逆變器的核心功能是將 DC 電壓轉換成三相 AC 波形,藉以驅動電動車的馬達,然後將再生煞車所產生的 AC 電壓轉換為 DC 電壓,為電池充電。由於逆變器會將儲存於電池組內的能源轉換成 AC,藉以驅動電動馬達,因此能源轉換中的損耗越低,系統的效率就越高。與矽相比,SiC 元件的導通性更強,且切換頻率更快,以熱量形式損失的能量也更少,因此可減少功率損耗。最終,SiC 型逆變器的更高效率會在電動車中促成更遠的續航距離。

處理大電流的電源模組通常是 IGBT 型模組,其結合 Si IGBT 與 Si 快速復原二極體 (FRD),而此配置常見於汽車逆變器模組。但與現有的 Si IGBT 相比,SiC 能提供更高的工作溫度和更快的切換速度。由於牽引逆變器迫切需要在電池間來回傳輸大量的能量,因此上述能力對於牽引逆變器至關重要。

原因如下:IGBT 是切換元件,其切換速度 (啟動時間、關閉時間) 是影響效率 (損耗) 的主要參數之一。若使用 IGBT,就可在高崩潰電壓下達到低電阻,但會犧牲切換效能;而在元件關閉期間會有一段「耗散時間」,這將增加切換損耗。所以,IGBT 的效率相對較低。MOSFET 具有較短的關閉時間與較高的工作頻率,若是在逆變器模組中採用 MOSFET 而非 IGBT,則可達到較高的效率。但 Si MOSFET 本身也有缺點,具有比 Si IGBT 更大的「導通」電阻。

SiC MOSFET 充分利用 SiC 令人喜愛的特性,其晶粒面積大小幾乎只有 IGBT 的一半,但卻同時具備四個理想的電源開關特性:

  • 高電壓
  • 低導通電阻
  • 快切換速度
  • 低切換損耗 (特別是關閉損耗)

此外,較寬的能隙也意味著 SiC 元件一般可在 150°C 至 175°C 的溫度範圍內工作,若有妥善封裝,溫度還能提升到 200°C 或更高。

若採用 SiC 肖特基能障二極體 (SBD),則會透過金屬與 SiC 半導體形成接面,在 SiC SBD 裡建立肖特基能障。但與矽 FRD 不同的是,此類二極體的優點不會因為寬廣的電流範圍與工作溫度範圍而明顯改變,而且 SiC 元件的介電崩潰電場也比矽高出十倍左右。因此,額定值為 1200 V 的 SiC 產品如今已經量產,成本也因此而降低。而且,額定值為 1700 V 的產品也在開發當中。

另外,SiC 二極體也沒有順向與逆向復原損耗,只有少量的電容電荷損耗。研究顯示,Si 快速復原二極體的接面溫度會影響恢復電流與恢復時間,因此相較之下 SiC SBD 的切換損耗可減少 90%。因此,SiC 二極體可達到比 Si 二極體明顯更低的效能指數 (FoM) (Qc x Vf)。FOM 越低意味著功率損耗越少,因而電氣效能就更優異。

碳化矽材料也有一些缺點。其中就是具有正熱係數,這表示溫度越高,順向電壓 (Vf) 就越高。如果通過二極體的電流增加,順向壓降也會增加。對二極體施以更高的電流時,此導通損耗會導致熱失控。

不過,將SiC MOSFET 和 SBD 整合後,系統設計人員即可提高效率、縮減散熱片的尺寸和成本、提高切換頻率,從而縮小磁性元件的尺寸,並縮減最終設計的成本、尺寸和重量。採用 SiC 的電動車逆變器,比起同等的 Si 型產品,尺寸縮小 5 倍、重量減輕 3 倍,且功率損耗降低 50%。

例如,ROHM Semiconductor 開發的 BSM300D12P2E001 半橋 SiC 電源模組,將 SiC MOSFET 和 SiC SBD 整合到單一封裝中,可將先前由 IGBT 尾電流與 FRD 復原損耗造成的切換損耗降到最低 (圖 2)。

整合 SiC MOSFET 和 SBD 的 SiC 電源模組與 IGBT 模組的比較圖

圖 2:整合 SiC MOSFET 和 SBD 的全 SiC 電源模組可提供比 IGBT 模組更低的損耗,即便是高速切換作業也是如此。(圖片來源:ROHM Semiconductor)

與 IGBT 相比,ROHM Semiconductor 的 SiC 型 MOSFET 可將損耗降低 73%。該公司的 MOSFET 系列可處理高達 1700 V 的電壓,而導通電阻範圍則介於 45 mΩ 至 1150 mΩ。此系列採用 TO-247N、TO-3PFM、TO-268-L 與 TO-220 封裝。

此外,ROHM 還生產符合 AEC-Q101 標準的汽車級 SiC 肖特基能障二極體,不僅具有恢復時間短、切換速度快、溫度相依性低、順向電壓低的特點,還能在 6 至 20 A 的電流下,處理高達 650 V 的電壓。

SiC 元件在電動車中的角色

Tesla 是第一家將全 SiC 電源模組整合到主逆變器的電動車製造商,而首先採用的車款便是 Tesla Model 3 轎車。Tesla 之前的 S 與 X 車款則採用 TO-247 封裝 IGBT。Tesla 的逆變器是與 STMicroelectronics 合作的成果,由組裝在散熱片上的 SiC 電源模組構成。1 這款 MOSFET 與 STMicroelectronics 的 SCT10N120 一樣,額定電壓皆 650 V,並使用銅底板來散熱。

電動車的充電裝置為原廠安裝,稱為「車載充電器」(OBC)。電動車或插電式油電混合車 (PHEV) 的 OBC 可透過家中的 AC 電源或者私人或公共充電站的插座為電池充電。OBC 採用 AC/DC 轉換器將 50/60 Hz AC 電壓 (100 至 240 V) 轉換成 DC 電壓,為高電壓牽引電池充電 (通常在 400 VDC 左右)。此外,OBC 還可根據電池需求調整 DC 位準,提供電流隔離,並納入 AC/DC 功率因數校正 (PFC) (圖 3)。

SiC 二極體用於典型電動車 OBC 的 PFC 階段示意圖

圖 3:在典型電動車 OBC 中,SiC 二極體有許多用途,例如在 PFC 階段中當作升壓二極體,或者在圖騰柱拓樸中與 N 通道 IGBT 並聯。(圖片來源:Infineon Technologies)

GaN 因效率而獲得青睞

OBC 有一項設計要求是盡可能達到最高的效率及可靠性,以確保快速充電,同時符合電動車製造商對於空間與重量的限制要求。採用 GaN 技術的 OBC 設計可簡化電動車的散熱系統,並減短充電時間並降低功率損耗。以汽車市佔率來看,雖然商用 GaN 電源裝置稍微落後 SiC,但逐漸展現令人驚艷的效能,因此迅速獲得青睞。與 SiC 元件一樣,GaN 元件可提供更低的切換損耗、更快的切換速度和更高的功率密度,而且能縮減整體系統的尺寸、重量與成本。

例如,Transphorm 的 TP65H035WSQA 便是符合 AEC-Q101 標準的汽車級 GaN FET,在合格測試時的工作溫度高達 175°C (圖 4)。此元件採用標準的 TO-247 封裝,典型導通電阻為 35 mΩ。此元件與其前代產品 49 mΩ 的第 II 代 TPH3205WSBQA 一樣,適用於插電式油電混合車與電池電動車的 AC/DC OBC、DC/DC 轉換器與 DC/AC 逆變器系統,可在這些車輛上促成 AC/DC 無橋式圖騰柱 PFC 設計。

Transphorm 的 TPH3205WSBQA GaN FET (650 V、49 mΩ) 圖片

圖 4:Transphorm 的 TPH3205WSBQA GaN FET (650 V、49 mΩ) 符合汽車標準,通過汽車級離散半導體的 AEC-Q101 壓力測試。(圖片來源:Transphorm)

雖然典型 Si MOSFET 的最大 dV/dt 額定值可達 50 V/ns,但 TP65H035WS GaN FET 可在 dV/dt 為 100 V/ns 或更高額定值下進行切換,能盡可能達到最低的切換損耗。在此運作級別下,就連佈局本身也會對效能產生重大影響。建議在佈局上保持最小的閘極驅動迴路、讓切換節點間的走線距離保持超短,而且回到電源匯流排與接地的走線盡可能保持可行的最短距離。電源接地面應提供較大的截面積,確保整個電路的接地電位更為平均。在佈局時,應小心隔開電源接地與 IC (小訊號) 接地,僅讓兩者在 FET 的源極引腳處連接,以避免產生任何可能的接地迴路。

Infineon 的 AIDW20S65C5XKSA1 也是針對油電混合車及電動車 OBC 應用而開發的產品,屬於該公司第五代 CoolSiC 汽車肖特基二極體系列的成員。此系列讓該公司的 IGBT 和 CoolMOS 產品陣容更加完備,可滿足 650 V 等級的汽車應用要求。

受惠於全新的鈍化層概念,此產品是市面上抗潮與抗腐蝕能力最完善的汽車元件之一。由於此元件採用 110 µm 薄晶圓技術,因此也是同類型產品中具有最佳 FOM 的產品之一。這意味著功率損耗更低,電氣效能更優異。

相較於傳統的 Si FRD,Infineon 的 CoolSiC 汽車肖特基二極體可在所有負載條件下,將 OBC 的效率提升 1%。

使用 SiC 與 GaN 元件

除了前面提到的謹慎佈局外,SiC 零件還有個潛在問題就是驅動要求,這與 IGBT 元件非常不同。雖然大多數電晶體的驅動要求基本上都是使用對稱電軌 (如 ±5 V),但 SiC 元件需要有微弱的負電壓來確保完全關閉,因此必須使用非對稱電軌 (如 -1 V 至 -20 V)。

此外,雖然 SiC 具有優異的散熱性質,並且與矽相比,能傳導大量的熱能,但是 SiC 元件可能採用針對 Si 而設計和使用的封裝 (如晶粒接合與打線)。雖然這種封裝方法也可用於 SiC,但僅適用於較低頻率的電路 (幾十 kHz)。只要使用高頻,寄生電容和電感就會過大,導致 SiC 型元件無法發揮完全的潛能。

同樣地,要讓 GaN 元件發揮全部的潛能,封裝必須達到超低寄生電感與高熱效能。新的封裝方法,例如將晶粒嵌入類似於多層 PC 板的封裝,已經能以低成本達到所需的效能,同時又不必進行銲線作業,以免對元件本身產生可靠性疑慮。

閘極驅動器是擔任控制器與電源元件間介面的關鍵元件。對於採用新元件的電子產品設計人員來說,閘極驅動設計一直都是個問題,因此瞭解如何驅動 SiC 和 GaN 電源元件至關重要。相關要求如下:

  • 高供應電壓,可透過低導通損耗達到高效率
  • 高驅動強度,可達到低切換損耗
  • 快速短路防護
  • 較小的傳播延遲與變化,可達到高效率且快速的系統控制
  • 高 dv/dt 耐受性

有些早期的 GaN 元件需要特殊的驅動器來防止閘極過壓。現在可使用新一代擁有較寬 Vg 容差的 E-HEMT,只需更改閘極電壓電源,便可透過眾多的標準 MOSFET 驅動器進行驅動。GaN FET 屬於側向元件,因此僅需相對較低的最佳驅動電壓。整體而言,GaN 元件的閘極驅動要求與 Si MOSFET 和 IGBT 相似,相關要求包括:

  • 較小的閘極電荷 - 較低的驅動耗損、更快的起落時間
  • 較低的閘極電壓
  • 負電壓,可提升閘極驅動的耐用性
  • 使用閘極電阻控制迴轉率

優勢在於,許多 SiC 和 GaN 方案的供應商陸續在封裝內裝入額外的電子零件,因此可以直接替代既有的設計。

結論

為了滿足逆變器與車載充電器等電動車系統的效率及功率密度要求,汽車電力電子產品的設計人員,現在能運用 SiC 與 GaN 等更先進 WBG 半導體所帶來的優勢。相較於傳統的矽元件,這些半導體的損耗更低、切換頻率更高、工作溫度更高、在嚴苛環境下更可靠,而且崩潰電壓更高。

GaN 和 SiC 可在更高的溫度下工作並達到與 Si 元件類似的使用壽命;若是在類似的溫度下工作,但達到更長的壽命。如此一來,設計工程師就能依據不同的應用需求,選擇不同的設計途徑。

此外,使用 WBG 材料還能讓設計人員根據其設計目標選擇策略。這些策略包括:使用相同的切換頻率並提升輸出功率;使用相同的切換頻率並減少系統所需的散熱量,從而降低總成本;或者提升切換頻率,同時在切換中保持相同的功率損耗。

參考資料

  1. Tesla Model 3 Inverter with SiC Power Module from STMicroelectronics, Complete Teardown Report” (Research And Markets).

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