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赋能新能源汽车,罗姆力推第四代碳化硅技术

日期:2023-03-23    来源:中国汽车报网  作者:郝文丽

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2023
03/23
14:41
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关键词: 新能源汽车 碳化硅技术 新能源汽车技术

新能源汽车时代,纯电车的“续航焦虑”和“充电焦虑”,可以说是用户与车企共同的痛点。而碳化硅器件,既能应用在高压超充当中,提升车辆的充电速度,也能应用在电驱动系统中,提升车辆的动力与续航表现。因此,碳化硅可以说是纯电车“里程焦虑”的新解法。

日前,罗姆举办“2023年媒体线上交流会”,相关负责人向媒体记者介绍了罗姆第四代碳化硅技术和产品,给新能源汽车技术带来新的发展思路。

罗姆半导体(上海)有限公司技术中心副总经理周劲介绍,罗姆有着20多年的SiC开发历史,从2000年开始研发碳化硅产品,到2010年实现全球首家进行碳化硅SBD和MOSFET的量产,再到2021年发布了第4代的沟槽SiC MOSFET,2023年实现8英寸碳化硅衬底的量产,之后还将布局牵引功率模块相关产品。

随后,周劲详细介绍了罗姆第四代SiC MOSFET的三大产品优势。

第一个优势是低损耗。从第二代到第三代特征导通电阻(RonA)降了50%,从第三代到第四代,又降了40%。导通阻抗不断降低,使开关特性得以改善,实现了低损耗。在同等芯片面积下,第三代的导通阻抗大约是30毫欧,第四代为18毫欧,使损耗降低了40%。

第四代SiC MOSFET在同等导通阻抗下降低了栅极和源极间电容值(Cgd),实现了高驱动频率(高速开关)的优势,进而使发热量减少。通过降低开关损耗,还能够实现高驱动频率,使外围器件及散热器小型化。容量比(Crss/Ciss)的改善有助于抑制MOSFET器件的误开通,能够保证芯片更高速的开启和关断。

在应用中,如果将第三代SiC MOSFET替换为第四代产品,在重视导通损耗的场合,推荐选用同等高温下额定电流的产品。例如用30毫欧换成18毫欧导通阻抗可降低40%导通损耗;在重视开关损耗的场合,推荐使用25℃额定电流的产品,以便改善开关特性,明显降低开关损耗。

这是因为,在第一种场合,应考虑同等器件高温时的额定电流,罗姆产品凭借RonA优势可以获得低导通电阻,实现全负载范围的高效率。而在第二种场合,在高频率开关条件(Fsw 100kHz)下,罗姆产品的开关损耗小,也可以实现全负载范围的高效率。

第二个优势是使用简便。开启(Tun ON)推荐栅极驱动电压(正电压)为8V-15V,使与IGBT等共用栅极驱动电路成为可能。之所以能够实现低电压驱动,是因为第三代产品为15V和18V驱动的导通阻抗差是30%,也就是说,如果用IGBT通用的15V电压驱动不能实现SiC MOSFET的理想状态。第四代的15V与18V两种驱动电压的导通阻抗差只有11%,在15V的情况下就可以基本满足碳化硅全负载驱动。而在导通损耗非主要因素的轻负载条件下,栅极电压15V或18V的转换效率差较小;需要强调的是,在重负载状态下,仍然推荐18V以上的驱动电压,能够实现最优的导通阻抗。

对于负偏压设计,罗姆产品的栅极阈值电压较竞品高,在高温时(结温175℃)时也能避免自开启的风险,无需负偏压,使用也更安心。降低由寄生电容耦合至栅极的能量导致的栅极电压抬升,也能够有效避免自开启。无需负偏压设计的好处在于简化了栅极驱动器电路,降低了成本;变压器设计也得以简化,多输出栅极驱动器电源设计更加简便。

在同一外部栅极电阻值状态下,第四代SiC MOSFET开关损耗(Eon,Eoff)比同类产品小,降低了内部栅极阻值,使外部栅极电阻的调整更为灵活,电路设计也更加灵活,更容易满足客户需求。在相同栅极电阻阻值状态下,开关损耗也比同类产品小很多。

与第三代650V耐压同类产品相比,第四代产品750V耐压(Vds)设定使得耐压裕量更高,可简化浪涌吸收电路,减少器件数量,降低吸收电路带来的能量损耗,降低成本的同时,提升系统效率。

第三个优势是高可靠性。上面说过,第四代SiC MOSFET采用独特的器件结构突破了RonA与短路耐受时间(SCWT)的折中限制,实现了比同类产品更高的短路耐受时间。降低RonA后,通常饱和电流会上升,短路时的峰值电流也会上升,短路耐量时间变短;罗姆第四代产品在降低RonA的同时使饱和电流下降,短路时的峰值电流较低,成功延长了短路耐受时间。

正是因为有了上述优势,罗姆第四代SiC MOSFET具有低开关损耗、低恢复电流且低噪声以及低导通损耗的特点。这些高速开关SiC MOSFET非常适用于有小型、轻量化需求的车载充电器应用;较小导通损耗的SiC MOSFET非常适用于采用LLC电路的电源应用。

周劲进一步强调,根据元件的优化设计、沟槽的结构强化,通过业内先进的低导通电阻技术,罗姆计划在2025年、2028年碳化硅器件的导通电阻(RonA)分别再降30%,实现第5代、第6代产品。

而汽车跟工业两个目标市场,占据了罗姆碳化硅业务60%-70%的比例。面向市场上急剧增长的需求,罗姆制定了大幅度提升产能的计划,相比2021年,预计2025年产能提升6倍,到2030年提升25倍。

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