SiC晶體管幾乎適用于任何開關模式電源,它們的優(yōu)越特性使其在汽車電氣系統(tǒng)中更為明顯,比如具有功率因數(shù)校正(PFC)的AC-DC電源,DC-DC轉(zhuǎn)換器,車載充電器(OBC),逆變器,LiDAR以及用于全電動或自動駕駛車輛的電路。
一些非汽車應用包括電機驅(qū)動器,光伏(PV)逆變器,PV充電器,不間斷電源(UPS)以及網(wǎng)絡和服務器電源。所有這些應用都可以從SiC設計帶來的更高效率中受益。
SiC優(yōu)勢
電源設計的工程師已經(jīng)意識到SiC晶體管確實是新開關模式設計的最佳選擇,雖然它們可能比替代品貴一點,但它們提供了更多優(yōu)勢。以下是SiC與MOSFET和IGBT相比的優(yōu)勢:
高耐壓。大多數(shù)SiC器件都能夠處理650至1700 V的電壓,在高壓應用中,它們可以替代某些IGBT。
具有可處理超過100 A的版本的高電流能力。
切換速度更快,速度高達1 MHz。
超低導通電阻,最高數(shù)百毫歐。
更好的導熱性,這意味著對于給定的功耗,溫度上升最小。
更低的關斷損耗,更低的導通損耗和更低的柵極電荷。
較小的物理尺寸。
符合AEC-Q101的汽車級認證。
典型設備
圖1:安森美半導體的SiC FET采用TO-247封裝。
安森美的SiC MOSFET是安森美半導體的NTHl080N120SC1(圖1)。主要功能包括:
最大漏源電壓為1200 V.
最大連續(xù)電流為31至44 A,具體取決于環(huán)境溫度。
典型導通電阻<110mΩ。
建議柵極 - 源極電壓為-5至+20 V.
功耗為58至348 W,具體取決于環(huán)境溫度。
TO-247包裝。
使用SiC進行設計
使用SiC晶體管進行設計與使用傳統(tǒng)硅MOSFET和IGBT進行設計不同。主要區(qū)別與門驅(qū)動的要求有關。使用標準增強型MOSFET時,您可以放心,當超過柵極閾值電壓(VTH)時,MOSFET完全導通。 VTH的范圍從幾伏到最大約10V。
對于驅(qū)動SiC MOSFET,柵極 - 源極閾值VTH必須在20 V范圍內(nèi),以確保在源極和漏極之間建立良好的電流通道。但那還不是全部。要關閉器件,柵極上需要-3到-10 V的負電壓。早期,SiC的驅(qū)動設計都采用分立元件搭配,現(xiàn)在已經(jīng)變成了集成IC。
安森美半導體的NCP51705就是一款通用驅(qū)動IC,可搭配安森美或其他品牌的SiC器件,該驅(qū)動器提供分離的輸出級,可實現(xiàn)獨立的開啟和關閉調(diào)節(jié)。源和接收能力為6 A。
NCP51705還提供5V的電源軌,可以為光隔離器等外部電路供電。IC的保護功能包括了偏置的欠壓鎖定監(jiān)控和基于驅(qū)動器結溫的熱關斷功能。
汽車設計實例
電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)需要高壓交流轉(zhuǎn)直流和輔助電池的OBC。圖2顯示了這種系統(tǒng)的簡化圖。標準橋式整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電壓,經(jīng)過功率因數(shù)校正。全橋DC-DC轉(zhuǎn)換器為諧振反激式轉(zhuǎn)換器提供輸入,該轉(zhuǎn)換器將電壓調(diào)節(jié)至更高水平,并將其整流為為主電池充電的最終直流電。當前的電池電壓在300至900V范圍內(nèi),單獨的電路產(chǎn)生低電壓(12 V或48 V),為用于所有其他電氣和電子組件的電池充電,例如車輛照明和信息娛樂。
圖2:這種簡化的板載充電器利用SiC器件來提高效率,可同時處理高電壓和電流。
驅(qū)動主車輛電機的EV中的直流 - 交流逆變器也是SiC的應用領域。現(xiàn)在在許多設計使用IGBT,如圖3所示,也可以用SiC器件代替。
3. EV電機驅(qū)動器逆變器中使用的IGBT現(xiàn)在可以用SiC MOSFET取代。
PFC和DC-DC轉(zhuǎn)換器是SiC應用的主要目標,因為它們具有高電壓,高電流和高速開關能力。