罗姆第4代SiC MOSFET在电动汽车电控系统中的应用及其优势
引言
近年来，为了实现“碳中和”等减轻环境负荷的目标，需要进一步普及下一代电动汽车（xEV），从而推动了更高效、更小型、更轻量的电动系统的开发。尤其是在电动汽车（EV）领域，为了延长续航里程并减小车载电池的尺寸，提高发挥驱动核心作用的电控系统的效率已成为一个重要课题。SiC（碳化硅）作为新一代宽禁带半导体材料，具备高电压、大电流、高温、高频率和低损耗等独特优势。因此，业内对碳化硅功率元器件在电动汽车上的应用寄予厚望。
罗姆第4代SiC MOSFET应用于“三合一”电桥
近日，上汽大众与臻驱科技联合开发的首款基于SiC技术的 “三合一”电桥完成试制。据悉，对比现有电桥产品，这款SiC“三合一”电桥在能耗表现方面非常抢眼，每百公里可节约0.645kW•h电能。以上汽大众在ID 4X车型上的测试结果为例，对比传统的IGBT方案，整车续航里程提升了4.5%。由此可知，SiC电桥方案的优势非常明显。但作为一种新技术，SiC电控系统还存在一些开发难点，比如SiC模块的本体设计，以及高速开关带来的系统EMC应对难题。值得一提的是，臻驱科技此次完成试制的“三合一”电桥采用的是罗姆第4代SiC MOSFET裸芯片，充分发挥了碳化硅器件的性能优势。
罗姆于2020年完成开发的第4代SiC MOSFET，是在不牺牲短路耐受时间的情况下实现业内超低导通电阻的产品。该产品用于车载主驱逆变器时，效率更高，与使用IGBT时相比，效率显著提升，因此非常有助于延长电动汽车的续航里程，并减少电池使用量，降低电动汽车的成本。
图 | 第4代SiC MOSFET和IGBT的逆变器效率比较
罗姆第4代SiC MOSFET的独特优势
罗姆作为碳化硅领域的深耕者，从2000年就开始了相关的研发工作，并在2009年收购碳化硅衬底供应商SiCrystal后，于2010年率先推出了商用碳化硅MOSFET，目前产品涵盖SiC SBD、SiC MOSFET和全SiC模组，其中SiC SBD、SiC MOSFET可以裸芯片的形式供货。罗姆在2015年发布了第3代也是第一款商用沟槽结构的SiC MOSFET产品，支持18V驱动。2020年，罗姆又推出了第4代SiC MOSFET。目前，不仅可供应裸芯片，还可供应分立封装的产品。分立封装的产品已经完成了面向消费电子设备和工业设备应用的产品线开发，后续将逐步开发适用于车载应用的产品。
对比罗姆的第3代SiC MOSFET产品，第4代SiC MOSFET具有导通电阻更低的特点。根据测试结果显示，在芯片尺寸相同且在不牺牲短路耐受时间的前提下，罗姆采用改进的双沟槽结构，使得MOSFET的导通电阻降低了约40％，传导损耗相应降低。此外，从RDS(on)与VGS的关系图中，我们可以发现第4代SiC MOSFET在栅极电压处于+15V和+18V之间时具有更平坦的梯度，这意味着第4代SiC MOSFET的驱动电压范围可拓展至15V-18V。
图 | 第3代和第4代SiC MOSFET导通电阻测试结果示意图
同时，第4代SiC MOSFET还改善了开关性能。通常，为了满足更大电流和更低导通电阻的需求，MOSFET存在芯片面积增大、寄生电容增加的趋势，因而存在无法充分发挥碳化硅原有的高速开关特性的课题。第4代SiC MOSFET，通过大幅降低栅漏电容（Cgd），成功地使开关损耗比以往产品降低约50％。
图 | 第3代和第4代SiC MOSFET开关损耗测试结果示意图
此外，罗姆还对第4代SiC MOSFET进行了电容比的优化，大大提高了栅极和漏极之间的电容（CGD）与栅极和源极之间的电容（CGS）之比，从而减少了寄生电容的影响。比如，可以减小在半桥中一个快速开关的SiC MOSFET施加在另一个SiC MOSFET上的高速电压瞬变（dVDS/dt）对栅源电压VGS的影响。这将降低由正VGS尖峰引起的SiC MOSFET意外寄生导通的可能性，以及可能损坏SiC MOSFET的负VGS尖峰出现的可能性。
支持工具
罗姆在下面官网的SiC介绍页面中，介绍了SiC MOSFET、SiC SBD和SiC功率模块等碳化硅功率半导体的概要，同时，还发布了用于快速评估和引入第4代SiC MOSFET的各种支持内容，供用户参考。
第4代SiC MOSFET的支持内容：
• 概要介绍视频、产品视频
• 应用指南（产品概要和评估信息、主驱逆变器、车载充电器、SMPS）
• 设计模型（SPICE模型、PLECS模型、封装和Foot Print等的3D CAD数据）
• 主要应用中的仿真电路（ROHM Solution Simulator）
• 评估板信息 ※如需购买评估板，请联系罗姆的销售部门。
总结
综上，罗姆通过进一步改进自有的双沟槽结构，使第4代SiC MOSFET具有低导通电阻、优秀的短路耐受时间、低寄生电容、低开关损耗等优点。凭借高性能元器件以及丰富的支持工具，罗姆将助力设计人员为未来的电力电子系统创建可行且节能的解决方案。
