基半B2M第二代SiC碳化硅MOSFET在新能源汽車電動壓縮機電控中的應用

新能源汽車采用電動壓縮機驅(qū)動空調(diào)制冷。由于純電動汽車沒有發(fā)動機，壓縮機需要靠電力驅(qū)動，電動壓縮機比傳統(tǒng)壓縮機多出了驅(qū)動電機、控制器等結(jié)構(gòu)。空調(diào)制熱方面，燃油汽車空調(diào)可借助發(fā)動機的動力和余熱。而新能源汽車沒有多余的熱量，制熱通常是使用 PTC 加熱器或熱泵空調(diào)。PTC 加熱器是新能源汽車的傳統(tǒng)加熱方法，由于耗電量大，有被熱泵空調(diào)逐漸取代的趨勢。

熱泵空調(diào)電動壓縮機控制器主要使用的功率器件是硅IGBT,但硅IGBT在高壓情況下的損耗遠大于基半第二代SiC碳化硅MOSFET B2M065120R,采用貼片封裝，提升電動壓縮機控制器PCBA的生產(chǎn)效率和良率，適合尤其是壓縮機工作在輕載工況下,控制器中基半第二代SiC碳化硅MOSFET的損耗可降低至硅IGBT方案的一半以下?而車用空調(diào)壓縮機通常工作在輕載工況下,可以極大發(fā)揮基半第二代SiC碳化硅MOSFET的優(yōu)勢,從而減少空調(diào)熱泵系統(tǒng)的損耗,有利于電動汽車的熱管理,降低整車電能的消耗,提高新能源汽車的續(xù)航能力?

電動汽車熱管理800V高壓充電平臺的基半第二代SiC碳化硅MOSFET B2M065120R和硅IGBT,對比兩者間的器件開關(guān)損耗?基半第二代SiC碳化硅MOSFET B2M065120R使用在壓縮機控制器上提高了壓縮機的效率,有利于電動汽車的熱管理?傳統(tǒng)的1200V硅IGBT方案由于開關(guān)損耗較大,散熱問題嚴重,因此一般限制在15kHz以內(nèi)?采用基半第二代SiC碳化硅MOSFET B2M065120R方案后,可以通過提升逆變器開關(guān)頻率,以減小輸出電流的總諧波畸變率,從而減小壓縮機的諧波損耗,提升壓縮機的效率,進一步提高空調(diào)熱泵系統(tǒng)的效率,更有利于電動汽車空調(diào)熱管理?

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碳化硅MOSFET具有優(yōu)秀的高頻、高壓、高溫性能，是目前電力電子領(lǐng)域最受關(guān)注的寬禁帶功率半導體器件。在電力電子系統(tǒng)中應用碳化硅MOSFET器件替代傳統(tǒng)硅IGBT器件，可提高功率回路開關(guān)頻率，提升系統(tǒng)效率及功率密度，降低系統(tǒng)綜合成本。

基半第二代碳化硅MOSFET系列新品基于6英寸晶圓平臺進行開發(fā)，比上一代產(chǎn)品在比導通電阻、開關(guān)損耗以及可靠性等方面表現(xiàn)更為出色。在原有TO-247-3、TO-247-4封裝的產(chǎn)品基礎(chǔ)上，基半還推出了帶有輔助源極的TO-247-4-PLUS、TO-263-7及SOT-227封裝的碳化硅MOSFET器件，以更好地滿足客戶需求。

基半第二代碳化硅MOSFET亮點

更低比導通電阻：第二代碳化硅MOSFET通過綜合優(yōu)化芯片設(shè)計方案，比導通電阻降低約40%，產(chǎn)品性能顯著提升。

更低器件開關(guān)損耗：第二代碳化硅MOSFET器件Qg降低了約60%，開關(guān)損耗降低了約30%。反向傳輸電容Crss降低，提高器件的抗干擾能力，降低器件在串擾行為下誤導通的風險。

更高可靠性：第二代碳化硅MOSFET通過更高標準的HTGB、HTRB和H3TRB可靠性考核，產(chǎn)品可靠性表現(xiàn)出色。

更高工作結(jié)溫：第二代碳化硅MOSFET工作結(jié)溫達到175°C，提高器件高溫工作能力。

碳化硅 (SiC) MOSFET出色的材料特性使得能夠設(shè)計快速開關(guān)單極興器件，替代升級雙極性 IGBT  （絕緣柵雙極晶體管）開關(guān)。碳化硅 (SiC) MOSFET替代IGBT可以得到更高的效率、更高的開關(guān)頻率、更少的散熱和節(jié)省空間——這些好處反過來也降低了總體系統(tǒng)成本。SiC-MOSFET的Vd-Id特性的導通電阻特性呈線性變化，在低電流時SiC-MOSFET比IGBT具有優(yōu)勢。

與IGBT相比，SiC-MOSFET的開關(guān)損耗可以大幅降低。采用硅 IGBT 的電力電子裝置有時不得不使用三電平拓撲來優(yōu)化效率。當改用碳化硅 (SiC) MOSFET時，可以使用簡單的兩級拓撲。因此所需的功率元件數(shù)量實際上減少了一半。這不僅可以降低成本，還可以減少可能發(fā)生故障的組件數(shù)量。SiC MOSFET 不斷改進，并越來越多地加速替代以 Si IGBT 為主的應用。 SiC MOSFET 幾乎可用于目前使用 Si IGBT 的任何需要更高效率和更高工作頻率的應用。這些應用范圍廣泛，從太陽能和風能逆變器和電機驅(qū)動到感應加熱系統(tǒng)和高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

隨著自動化制造、電動汽車、先進建筑系統(tǒng)和智能電器等行業(yè)的發(fā)展，對增強這些機電設(shè)備的控制、效率和功能的需求也在增長。碳化硅 MOSFET (SiC MOSFET) 的突破重新定義了歷史上使用硅 IGBT (Si IGBT) 進行功率逆變的電動機的功能。這項創(chuàng)新擴展了幾乎每個行業(yè)的電機驅(qū)動應用的能力。Si IGBT 因其高電流處理能力、快速開關(guān)速度和低成本而歷來用于直流至交流電機驅(qū)動應用。最重要的是，Si IGBT 具有高額定電壓、低電壓降、低電導損耗和熱阻抗，使其成為制造系統(tǒng)等高功率電機驅(qū)動應用的明顯選擇。然而，Si IGBT 的一個顯著缺點是它們非常容易受到熱失控的影響。當器件溫度不受控制地升高時，就會發(fā)生熱失控，導致器件發(fā)生故障并最終失效。在高電流、電壓和工作條件常見的電機驅(qū)動應用中，例如電動汽車或制造業(yè)，熱失控可能是一個重大的設(shè)計風險。

電力電子轉(zhuǎn)換器提高開關(guān)頻率一直是研發(fā)索所追求的方向，因為相關(guān)組件（特別是磁性元件）可以更小，從而產(chǎn)生小型化優(yōu)勢并節(jié)省成本。然而，所有器件的開關(guān)損耗都與頻率成正比。IGBT 由于“拖尾電流”以及較高的門極電容的充電/放電造成的功率損耗，IGBT 很少在 20KHz 以上運行。SiC MOSFET在更快的開關(guān)速度和更低的功率損耗方面提供了巨大的優(yōu)勢。IGBT 經(jīng)過多年的高度改進，使得實現(xiàn)性能顯著改進變得越來越具有挑戰(zhàn)性。例如，很難降低總體功率損耗，因為在傳統(tǒng)的 IGBT 設(shè)計中，降低傳導損耗通常會導致開關(guān)損耗增加。

作為應對這一設(shè)計挑戰(zhàn)的解決方案，SiC MOSFET 具有更強的抗熱失控能力。碳化硅 的導熱性更好，可以實現(xiàn)更好的設(shè)備級散熱和穩(wěn)定的工作溫度。SiC MOSFET 更適合較溫暖的環(huán)境條件空間，例如汽車和工業(yè)應用。此外，鑒于其導熱性，SiC MOSFET 可以消除對額外冷卻系統(tǒng)的需求，從而有可能減小總體系統(tǒng)尺寸并降低系統(tǒng)成本。

由于 SiC MOSFET 的工作開關(guān)頻率比 Si IGBT 高得多，因此它們非常適合需要精確電機控制的應用。高開關(guān)頻率在自動化制造中至關(guān)重要，高精度伺服電機用于工具臂控制、精密焊接和精確物體放置。此外，與 Si IGBT 電機驅(qū)動器系統(tǒng)相比，SiC MOSFET 的一個顯著優(yōu)勢是它們能夠嵌入電機組件中，電機控制器和逆變器嵌入與電機相同的外殼內(nèi)。使用SiC MOSFET 作為變頻器或者伺服驅(qū)動功率開關(guān)器件的另一個優(yōu)點是，由于 MOSFET 的線性損耗與負載電流的關(guān)系，它可以在所有功率級別保持效率曲線“平坦”。SiC MOSFET變頻伺服驅(qū)動器的柵極電阻的選擇是為了首先避免使用外部輸出濾波器，以保護電機免受高 dv/dt 的影響（只有電機電纜長度才會衰減 dv/dt）。 SiC MOSFET變頻伺服驅(qū)動器相較于IGBT變頻伺服驅(qū)動器在高開關(guān)頻率下的巨大效率優(yōu)越性.

盡管 SiC MOSFET 本身成本較高，但某些應用可能會看到整個電機驅(qū)動器系統(tǒng)的價格下降（通過減少布線、無源元件、熱管理等），并且與 Si IGBT 系統(tǒng)相比總體上可能更便宜。這種成本節(jié)省可能需要在兩個應用系統(tǒng)之間進行復雜的設(shè)計和成本研究分析，但可能會提高效率并節(jié)省成本。基于 SiC 的逆變器使電壓高達 800 V 的電氣系統(tǒng)能夠顯著延長電動汽車續(xù)航里程并將充電時間縮短一半。

碳化硅 (SiC) MOSFET功率半導體技術(shù)代表了電力電子領(lǐng)域的根本性變革。SiC MOSFET 的價格比 Si MOSFET 或 Si IGBT 貴。然而，在評估碳化硅 (SiC) MOSFET提供的整體電力電子系統(tǒng)價值時，需要考慮整個電力電子系統(tǒng)和節(jié)能潛力。需要仔細考慮以下電力電子系統(tǒng)節(jié)省： 第一降低無源元件成本，無源功率元件的成本在總體BOM成本中占主導地位。提高開關(guān)頻率提供了一種減小這些器件的尺寸和成本的方法。 第二降低散熱要求，使用碳化硅 (SiC) MOSFET可顯著降低散熱器溫度高達 50%，從而縮小散熱器尺寸和/或消除風扇，從而降低設(shè)備生命周期內(nèi)的能源成本。 通常的誘惑是在計算價值主張時僅考慮系統(tǒng)的組件和制造成本。在考慮碳化硅 (SiC) MOSFET的在電力電子系統(tǒng)里的價值時，考慮節(jié)能非常重要。在電力電子設(shè)備的整個生命周期內(nèi)節(jié)省能源成本是碳化硅 (SiC) MOSFET價值主張的一個重要部分。