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罗姆第四代SiC MOSFET有利车载逆变器普及

罗姆技术中心资深工程师谈SiC在电动车导入优势。

目前普及应用的矽半导体已达到物理极限,若要将矽基功率元件(如Si-MOSFET等)在高耐压、耐高温、降低单位面积阻抗等参数作大幅改善,则不太可能,因此需要采用宽能隙半导体材料如SiC(碳化硅)及GaN来替代。

以下为罗姆技术中心资深工程师苏建荣谈到SiC特性、与GaN差异、以及SiC在电动车导入优势等。事实上矽半导体发展及应用相当久,然为何需导入宽能带隙SiC半导体,主因是能达到节能及小型化等优势,而罗姆是众厂商中于2010年第一个量产SiC SBD/MOSFET的业者。若细看SiC MOSFT特性,包含耐高压(大于600V)、承载大电流、散热佳、饱和电子迁移速度快,使得开关切换速度快、适合在大功率场合应用,又因其属高耐压元件,所以尺寸可做到小型化;上述种种优势,使得讲求大电力及节能特性的电动车、充电站、UPS、电源供应器等逐步导入SiC功率元件。

然目前SiC功率元件价格与矽基元件相较,价格仍然偏高,主要原因是SiC长晶速度慢,举例来说,矽晶棒高度可达1~2公尺,然SiC晶体高度仅2~3英寸(长晶速度约为矽的1/10);另,SiC需要在高温(SiC 2,000°C、矽为1,500°C)、高压环境长晶;再者,目前量产的SiC晶圆尺寸多在4~6寸,然矽晶圆己达12寸。上述原因,使得SiC元件成本高,普及度尚偏低,然在应用端上,则着重在SiC功率元件所产生的延伸效益,例如能耗损失少(包括导通损耗及开关损耗)、被动元件使用数降低、散热系统得以简化、减少电费及电池容量等,因此从系统面来看,仍有利于总成本的降低。

另一个大家常谈到的宽能隙GaN HEMT功率元件,在小型化、开关频率快的优势最为明显,然也因成本的考量下,GaN元件大多使用矽基板,并只能作成水平架构,也就是电流只能行经在狭窄的二次元电子云通道(2DEG),因此电流小、耐压低,一般多应用在600V以下消费性电子产品;例如搭载Type-C规格笔记本电脑已使用GaN功率元件,其电源供应器体积明显小许多,且价格为消费者可接受范围。

若单单谈在电动车应用,SiC较GaN展现出较大优势,原因是电动车属高压、大电流的应用场景,故鲜少看到GaN功率元件导入电动车上;另,GaN功率元件虽具高频化优势,可达元件及系统小型化目的,然SiC亦可达相当功能,且相对于消费性产品而言,因车体本身吨位大、空间是足够,故不会太计较些微重量的差异。

目前SiC功率元件在电动车发展情形,可看到SiC导入动力系统中的逆变器时程比预期快,其中,Tesla Model 3长程版的车款,其逆变器由24个SiC MOSFET所构成,其续航力较其它同级车款具更长的表现,达560公里;罗姆也有开发全SiC逆变器模块,体积较矽基IGBT逆变器减少43%、重量减少6公斤。罗姆认为,未来SiC在逆变器应用会愈来愈普及。

因电动车动力系统输出功率相当高,所以马达产生的热亦非常高,因矽基IGBT逆变器无法耐高温,加上模块体积大,故逆变器与马达需要分开设置,中间辅以控制线连接;倘若逆变器采用SiC元件,因SiC耐高温、不怕烫、体积小,故可与马达包在一起,构成机电一体化的形式。

在冷却系统设计方面,以插电式混合动力车(PHEV)为例,因矽基功率元件受限操作温度限制,因此该逆变器模块无法与引擎冷却系统共享(其冷却系统温度为110°C),需另设一个专用的低温冷却系统(65°C)供矽基逆变器使用;倘若改成SiC功率元件,因其可在200°C以上高温操作,故可与引擎冷却系统共享,甚至只要使用空冷方式即可达到散热效果。

除车用逆变器外,SiC功率元件导入OBC(车载充电器)也已有实绩,目前观察中国及欧系车厂导入速度较快,为了缩短充电时间,OBC功率规格从过去的3.3kW、提升至22kW。为因应上述趋势变化,罗姆于2020年推出第四代SiC MOSFET功率元件,与2015年第三代产品相较,单位面积的导通损耗降低约40%,且开关损耗减少50%,再者,应用产品体积可再度缩小;而罗姆第四代SiC MOSFET产品推出,主要目的为加速未来车载动力逆变器的普及。

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