電動和混合動力電動汽車 (EV/HEV) 的電池頗受關注，然而，工程實際卻是整個動力管理子系統 — 包括基本電機驅動、車載和外部充電器、電源使用和再生制動等功能，都與提高 EV 性能同等重要。因此，隨著 EV 需求量持續增長，人們越來越重視改良組件的開發和利用，以此優化 EV 電池使用并延長汽車行駛里程。

由作為功率控制器件的標準金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 渡越為基于碳化硅 (SiC) 基底和工藝技術的 FET，標志著向 EV 能效和系統整體特性提升邁出的重要一步。不過，SiC 器件的關鍵規格和驅動要求都與 MOSFET 有所區別，只有深入了解才能充分發揮其優勢。

本文概述了 EV 和 HEV 的動力要求，解釋 SiC 基功率器件適合此類應用的原因，并闡明其輔助器件驅動器的功能。本文先簡要討論通過汽車級 AEC-Q101 標準鑒定對分立式器件的意義，然后介紹ROHM Semiconductor推出的兩款通過 AEC 標準鑒定的 SiC 功率器件，并重點強調成功設計必須考慮的關鍵特性。

為 EV 和 HEV 提供動力

內燃機 (IC)、EV 和 HEV 等所有汽車對動力子系統的需求一直呈指數級增長，以支持高級輔助駕駛系統 (ADAS)、電動車窗、車門和后視鏡、內部網絡及連接、雷達、娛樂系統、GPS 等功能。

IC 車輛的主要電源通常采用 12 V，100 至 200 Ah 的標準鉛酸電池。不過，相較于 EV 電池，其電量要求相對較小，因為 EV 電池還必須為“原動機”供電（圖 1）。因此，EV 電池組容量范圍為 50 至 150 kWh，具體取決于車輛功能、尺寸和供應商，電壓典型值為 200 至 300 V。如需進行同環境比較，則使用以下公式將其轉換為 Ah：Ah = (kWh × 1,000)/V。

圖 1：EV 基于電池的動力子系統為牽引電機及相關功能，以及如今駕駛員所期望的許多標準特性和功能供電。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

除了使用許多小型 DC/DC 轉換器實現內部功能和充電外，許多 EV（但不全是）還通過直流/交流 (DC/AC) 轉換器為牽引電機提供變頻交流電 (AC)。牽引電機的額定功率范圍從約 150 hp（低端車輛）到 500 hp 以上（頂級特斯拉）。按 1 hp 約等于 750 W 計算，電機的耗電量相當大。

動力子系統整體能效的決定因素眾多，其中最重要的還屬開關穩壓器的性能。該器件可將原始電能轉換為傳動系統和電池充電所需的電壓/電流。

原因很簡單，電流水平達到數百安培時，基本的阻抗 (IR) 壓降就成了關鍵參數。例如，100 A 時，即便只是 100 mΩ 的導通電阻 (RDS(ON)) 也會在兩方面產生不利影響：一是 10 V 的輸送電壓損耗，二是必須管理 100 W 的耗散功率 (I2R)。除 RDS(ON)損耗外，DC/AC 和 DC/DC 轉換器的開關損耗也會降低能效，縮短電池續航時間，并且增加熱負荷和耗散功率。

為什么要考慮 SiC？

眾所周知，針對這些靜態損耗，降低 IR 壓降和 I2R 損耗的常用策略有兩種：1) 降低導通電阻；2) 提高系統工作電壓從而降低所需電流，卻可為負載提供等量功率。任何以期降低動態開關損耗的器件改進（通常與器件物理特性、開關頻率及其他因素有關）都會產生巨大影響。

過去數十年間，市面上主要的功率開關器件是硅 (Si) 基 MOSFET 和絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)。盡管技術進步顯著提高了器件性能，但改進已基本進入平臺期。與此同時，EV 應用卻需要性能表現更佳的開關器件兼具可行性和吸引力。

所幸過去數十年間，另一種固態 MOSFET 工藝技術已然成熟：這種技術基于由硅和碳通過共價鍵連接而成的碳化硅 (SiC) 材料，而非全硅材料。盡管 SiC 擁有百余種不同型態（獨特結構），但由于生產和加工原因，4H 型和 6H 型最受青睞。

相較于全 Si MOSFET，SiC MOSFET 在許多關鍵屬性上具有絕對優勢：

SiC 的臨界電場約為 Si 的 8 倍，因此非常適合用作功率半導體器件。高介電強度可使芯片更薄，摻雜層相對較厚，并且損耗更低。

SiC 的導熱率約為 Si 的 3 倍，因此產生的全部熱量都可以通過傳導傳遞，材料本身的溫度自然就低得多。

SiC 的熔點相當高，因此工作溫度可達 400℃ 以上（標準 Si 器件最高達 150℃）。較高的工作溫度極大簡化了冷卻要求，使 SiC 器件即使在更高的環境溫度下工作，溫差仍足以支持熱量的傳導和對流。

SiC 支持的最大電流密度是硅器件的 2 至 3 倍，因此在給定功率水平下可以降低元器件和系統成本。

如表 1 所示，標準硅、4H SiC 和 6H SiC 本身的臨界電氣特性規格顯然各有不同。SiC 的帶隙能量和臨界電場值較高，因而工作電壓相對較高；電子和空穴遷移率較小，開關損耗較低，因而工作頻率較高（所需濾波器和無源元器件也相對較少）。此外，較高的導熱率和工作溫度也簡化了冷卻要求。

表 1：硅、兩種型態的 SiC 與金剛石（用以對照）的基本材料級關鍵電氣特性。（表格來源：Semantic Scholar）

SiC 成熟度與 AEC-Q101

不過，SiC 器件從理論推斷過渡到具體實現，發展并非一路順暢快捷。但是在過去十年間，經過數次更新換代，每一次都伴隨著工藝的改進和結構的重大變化，SiC 基 MOSFET 終于發展成熟。

例如，ROHM Semiconductor 長期以來提供的第 2代 SiC 器件已廣泛應用于汽車領域。第 2代 SiC 器件等標準 SiC MOSFET 大多采用共面結構，隨著芯片尺寸減小將逐漸接近 FET 內阻下限（圖 2）。相比之下，ROHM 的第 3代產品采用雙溝槽結構（柵極溝槽和源極溝槽），從而有效減小溝道尺寸和導通電阻。

圖 2：ROHM 的SiC器件由第 2代過渡到第 3代，伴隨著工藝的改進和結構的重大變化。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

ROHM 的第 3代 SiC MOSFET 采用專有溝槽式柵極結構。相較于現有的共面型 SiC MOSFET，這種結構使導通電阻減少 50％，輸入電容減少 35％，從而顯著降低開關損耗，提高開關速度和能效。此外，相比 600 V 和 900 V 的器件，1200/1800 V 的 SiC MOSFET 芯片面積更小（因此封裝尺寸更小），體二極管的恢復損耗也相對較低。

符合 AEC 標準

伴隨成熟 SiC 器件及此前數代產品的另一個問題在于，是否能夠通過 AEC-Q101 標準鑒定。該標準基于美國汽車電子委員會 (AEC) 頒布的一套規范。該委員會由主要汽車制造商和美國電子元器件制造商組成，負責構建汽車電子可靠性測試體系。主要協議有：

AEC-Q100（IC 器件）

AEC-Q101（MOSFET 等分立元器件）

AEC-Q102（分立光電元件）

AEC-Q104（多芯片模塊）

AEC-Q200（無源元器件）

相比工業應用中廣泛采用的其他標準，AEC-Q101 標準更為嚴格。AEC 規范設立了一系列等級，如表 2 所示。SiC 器件可以滿足 0 級（-40℃ 至 +150℃），而全硅器件往往達不到該等級。1 級適用于車內應用，確保器件可在 -40℃ 至 +125℃ 的環境溫度范圍內穩定運行，但傳動系統和發動機艙內應用則需要 0 級。

表 2：相比商業和工業應用中采用的其他標準，AEC 可靠性鑒定標準更具挑戰性。（表格來源：Texas Instruments）

請注意，據某些供應商報告稱，工業應用開始逐步采用 AEC-Q100 系列規范以確保增強可靠性。從成本角度來看，此舉確實可行。由于電子設備和元器件廣泛應用于汽車，顯著降低了工業應用與汽車應用之間的價格差異。

SiC 器件支持中等至大電流設計

SiC 器件不單單適用于 EV 的大電流應用。除傳動系統外，許多低功率功能（例如電動座椅/車窗、座椅和車廂加熱器、電池預熱器、交流電機、動力轉向系統）也可受益于 SiC MOSFET 的特性。

例如，ROHM 的SCT3160KL是一款 N 溝道 SiC 功率 MOSFET，經優化負載高達 17 A（圖 3）。該器件采用 TO-247N 封裝，尺寸僅為 16 mm（寬）x 21 mm（高）x 5 mm（厚），通過背面的散熱接片可輕松連接至散熱器（圖 4）。由其頂級規格可知，該器件適用于中等電流和功率要求的應用（表 3）。

圖 3：ROHM 的 SCT3160KL 是一款基本 N 溝道 SiC 功率 MOSFET，負載高達 17 A。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

圖 4：SCT3160KL 封裝尺寸為 16 mm × 21 mm × 5 mm，通過背面的散熱接片可提供增強的散熱功能。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

表 3：SCT3160KL 的基本規格表明，該器件適合驅動 EV 中許多較小負載或為其他應用供電。（表格來源：ROHM Semiconductor）

如最大安全工作區域 (SOA) 圖所示，該 SiC 器件適用于脈沖工作周期，典型代表為高壓開關電源和高壓穩壓器（圖 5）。

圖 5：SCT3160KL 的 SOA 圖顯示并規定了漏電流、漏源電壓和脈沖功率處理的最大限值。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

當然，電流越大，SiC 基器件的優勢越明顯。ROHM 的SCT3022AL也是一款采用 TO-247N 封裝的 N 溝道 SiC 功率 MOSFET。由主要規格（表 4）和 SOA（圖 6）可知，由于導通電阻較小，額定電流較大，該器件適用于電機驅動功率轉換、電池管理以及 EV 電池充電。

表 4：由于較低的導通電阻及其他屬性，ROHM 的 SCT3022AL N 溝道 SiC 功率 MOSFET 適用于大電流設計。（表格來源：ROHM Semiconductor）

圖 6：SCT3022AL N 溝道 SiC 功率 MOSFET 的 SOA 圖清楚表明，該器件可有效支持電流和功率相對較大的應用。（圖片來源：ROHM Semiconductor）

SiC FET 的輔助柵極驅動器

無論是硅 MOSFET、SiC FET 還是 IGBT，功率器件本身只是功率轉換/控制設計的一部分。實際上，大功率“信號鏈”運行需要三大功能：控制器、柵極驅動器和功率半導體。

在驅動特性方面，SiC 器件與 Si 器件（和 IGBT）雖有類似，卻仍有較大差異。例如，由于 SiC MOSFET 的跨導較低，從線性（阻性）區域到飽和區域的過渡相對平緩，不似 Si 器件一般明顯，因此導通狀態下，SiC 器件的柵源電壓 (VGS) 大于 20 V，而關斷狀態下則介于 -2 V 至 -5 V 之間（因為 VGS閾值的噪聲容限較低）。

SiC 驅動器需要滿足以下條件：

供電電壓相對較高（25 至 30 V），通過低傳導損耗實現高能效

具有較大驅動電流（典型值 > 5 A）、低阻抗和快速壓擺率，瞬態電壓變化率 (dV/dt) 較小，使驅動電流流入和流出柵極電容時開關損耗更低

快速短路保護（典型響應值 <400 ns），因為 SiC 器件的開關速度比 Si 器件快

降低傳播延遲和器件間偏移（同樣可提高能效）

具有超高 dV/dt 抗擾度，可確保在高電壓大電流工作環境中穩定運行

SiC 基 FET、Si MOSFET 與 IGBT 的差異一覽表如下。

表 5：雖然 Si 基 MOSFET 和 IGBT 的驅動要求大致相同，但 SiC 器件的驅動規格卻大不相同。（表格來源：Texas Instruments）

由于這些器件與各種其他系統拓撲因素都在高壓下運行，因此設計標準中通常包括爬電距離和間隙尺寸相關的監管問題。此外，在控制器和功率器件之間進行電流（阻性）隔離總是必要之舉。

電流隔離可以使用獨立元器件布置于控制器和驅動器之間，也可以使用多芯片驅動器的內置功能。后者可使整體占用空間更小，但是一些設計人員更傾向于使用獨立隔離器，以便選擇隔離技術（例如磁、光、電容）以及性能規格。

例如，Texas Instruments 的UCC27531-Q1是一款通過 AEC-Q100 標準鑒定（1 級）的非隔離式單通道高速柵極驅動器，可用于 SiC（及其他）器件（圖 7）。VDD為 18 V 時，峰值拉電流高達 2.5 A，灌電流達 5 A。不對稱驅動模式下的強大灌入功能，提高了系統免受寄生米勒導通效應干擾的能力。驅動 1800 pF 負載時，傳播延遲為 17 ns（典型值），快速上升/下降時間為 15/7 ns，因此該器件適合驅動 SiC 器件。

圖 7：Texas Instruments 的 UCC27531-Q1 非隔離式柵極驅動器，滿足 SiC 開關器件的技術要求。（圖片來源：Texas Instruments）

這款采用 6 引腳 SOT-23 封裝的小型驅動器看似功能簡單，卻能有效滿足 SiC 器件的特定驅動需求。

該器件的輸出級采用獨特的架構，從而在最需要時提供峰值拉電流，即功率開關導通時的米勒平臺區域，此時功率開關漏極/集電極電壓的 dV/dt 最大（圖 8）。實現方法是在輸出由低電平轉為高電平時，柵極驅動器輸出峰值拉電流，N 溝道 MOSFET 則在這一瞬間實現快速導通。

圖 8：Texas Instruments 的 UCC27531-Q1 柵極驅動器增加了特殊電路和時序，最大限度地增大拉電流，并在 SiC 功率器件最需要的瞬間提供。（圖片來源：Texas Instruments）

Power Integrations的SIC1182K是隔離式 SiC 驅動器解決方案，這款 8 A 單通道 SiC 柵極驅動器具有高達 1200 V 的高級有源鉗位和增強隔離。請注意，這款隔離式 SiC 驅動器模塊未通過 AEC 標準鑒定，不過 Power Integrations 推出的類似產品 SID11x2KQ MOSFET/IGBT 柵極驅動器系列通過了 AEC-100 標準 1 級鑒定。例如，SID1182KQ-TL是一款 8 A/1200 V 單通道 IGBT/MOSFET 柵極驅動器。

SIC1182K 采用 16 引腳 eSOP-R16B 封裝（9 mm x 10 mm x 2.5 mm），具有 9.5 mm 的爬電距離和間隙（符合監管規定），以及亦可作為散熱路徑的有效初級側接地連接（圖 9）。隔離采用該公司專有的固體絕緣 FluxLink 技術，而該驅動器已獲得 VDE 0884-10 認證和 UL 1577 認證（申請中）。

圖 9：Power Integrations 的 SIC1182K 隔離式 SiC 柵極驅動器引腳 3、4、5 和 6 的合并連接，可提供導熱路徑以及有效的初級側接地連接。（圖片來源：Power Integrations）

SIC1182K 可通過同一個檢測引腳實現導通階段的短路保護，以及關斷時的過壓限制（通過高級有源鉗位）。隔離式柵極驅動器必須連接初級/次級側電源和接地、邏輯控制和驅動輸出。如需實現更強大的驅動能力，也提供其他連接（圖 10），其中包括：邏輯故障信號（開漏）、輸入檢測（導通短路檢測和關斷過壓限制）、自舉和電荷泵電壓源，以及次級側基準電位。

圖 10：SIC1182K 隔離式 SiC 柵極驅動器增加的引腳可以在實際電路中增強驅動能力，多用于解決故障和不良問題。（圖片來源：Power Integrations）

總結

可行的 EV 應用必須具備高端電池和高性能電源管理，而兩者均可由 SiC MOSFET 等先進的功率開關器件提供。如上所述，第 2代和第 3代器件的多個性能參數在導通電阻、損耗、開關性能和熱性能等方面均優于現有 Si 器件。

然而，為了充分發揮這些高性能 SiC 器件的潛力，設計人員還必須選擇符合應用需求的柵極驅動器。