随着我们寻求更强大@@、更小@@型的@@电源解决方案@@，碳化硅@@ (SiC) 等宽禁带@@ (WBG) 材料变得越来越流@@行@@，特别是在一些具有挑战性的@@应用领域@@，如汽车驱动系统@@、直流@@快速充电@@、储能电站@@、不间断电源和@@太阳能发电@@。
这些应用有一点非常相似@@，它们都需要逆变器@@（图@@ 1）。它们还需要紧凑且高能效的@@轻量级解决方案@@。就汽车而言@@，轻量化是为了增加续航里程@@，而在太阳能应用中@@，这是为了限制太阳能设备@@在屋顶上的@@重量@@@@。
图@@ 1.典型的@@@@ EV 动力总成@@@@，其中显示了逆变器@@
半导体损耗@@
决定逆变器效率的@@主要因素之一是所使用的@@半导体器件@@（IGBT / MOSFET）。这些器件表现出两种主要类型的@@损耗@@：导通损耗和@@开关损耗@@。导通损耗与@@开通状态下的@@导通电阻@@ (RDS(ON)) 成@@ 正比@@@@，计算方法为漏极电流@@@@ (ID) 与@@漏源电压@@ (VDS) 的@@乘积@@。
将@@ SiC MOSFET 的@@ VDS 特性与@@类似@@ Si IGBT 的@@特性进行比@@较@@@@，可以观察到@@，对于给定电@@ 流@@，SiC 器件的@@@@ VDS 通常较低@@。还值得注意的@@是@@，与@@ IGBT 不同@@，SiC MOSFET 中的@@@@ VDS 与@@ ID成@@正比@@@@@@，这意味着@@它在低电流@@下的@@导通损耗会显著降低@@。这在高功率应用@@（例如汽车和@@太阳能@@）中非常重要@@，因为@@它意味着在这些应用中@@，逆变器在其工作生命周期的@@大部分时间处于小功率工@@ 况@@，效率会有显著提高@@@@，损耗更低@@。
图@@ 2.Si IGBT 和@@ SiC MOSFET 的@@ VDS 比@@较@@
驱动损耗与@@开关器件所需的@@栅极电荷@@ (Qg) 成@@正比@@@@@@。这是每个开关周期都需要的@@@@，使其与@@开关频率成@@正比@@@@@@@@，并且@@ Si MOSFET 比@@ SiC 器件更大@@。设计人员热衷于提高@@开关频率以减小磁性@@188足彩外围@@app 的@@尺寸@@、重量@@和@@成@@本@@，这意味着@@使用@@ SiC 器件会带来显著优势@@。
热管理@@影响@@
电源系统中的@@@@所有损耗都会变成@@热量@@，这会影响@@188足彩外围@@app
密度@@，从而增加终端应用的@@尺寸@@@@。发热组件不仅会升高其自身的@@内部温度@@，还会升高整个应用的@@环境温度@@。为确保温升不会限制运行甚至导致组件故障@@，需要在设计中进行热管理@@@@。
SiC MOSFET 能够在比@@硅器件更高的@@频率和@@温度下运行@@。由于它们可以承受更高的@@工作温度@@，因此@@减少了对热管理@@的@@需求@@，可以允许器件本身产生更大的@@热量@@。这意味着@@，将@@基于@@硅的@@设计与@@等效的@@基于@@@@ SiC 的@@设计进行比@@较@@时@@，热管理@@要求要低得多@@，因为@@ SiC 系统产生的@@损耗更低@@@@，并且@@可以在更高的@@温度下运行@@。
通过比@@较@@@@，一个典型的@@@@@@ SiC 二极管在@@ 80kHz 下工作时@@，损耗比@@同等硅二极管低@@ 73%。因此@@， 在太阳能应用和@@电动汽车的@@大功率逆变器中@@，SiC 器件的@@@@效率优势将@@对降低电力系统的@@热管理@@需@@ 求产生非常显著的@@影响@@，可能降低@@ 80% 或@@更多@@。
基于@@SiC的@@电源系统的@@总成@@本@@
尽管@@ SiC 器件投入实际使用已经有一段时间了@@，但@@人们认为基于@@@@ SiC 的@@设计最终成@@本将@@高于硅基设计@@，因而在某些方面减缓了@@ SiC 器件的@@@@采用速度@@。然而@@，若是直接比@@较@@硅基器件和@@@@SiC 器件的@@@@相对成@@本@@，而不考虑每种技术@@对整体系统成@@本的@@影响@@，可能会使设计人员得出错误的@@结论@@。
如果我们考虑@@ 30 kW 左右的@@硅基电源解决方案@@，用于开关的@@半导体器件加起来约占物料清单成@@本的@@@@10%。主要的@@无源@@@@188足彩外围@@app （电感器和@@电容器@@）占剩余成@@本的@@大部分@@，分别为@@ 60% 和@@ 30%。
虽然@@ SiC 器件的@@@@单位成@@本确实高于等效的@@硅基器件@@，但@@ SiC 器件的@@@@性能降低了对电感器和@@电容器@@的@@要求@@，显著降低了系统的@@尺寸@@@@、重量@@和@@成@@本@@。仅此一项就可以将@@@@ SiC 的@@物料清单的@@总成@@本低于同等硅基解决方案@@。然而@@，正如我们所见@@，基于@@ SiC 的@@解决方案中的@@@@热管理@@成@@本也明显更低@@。因此@@，加上这种成@@本节约意味着@@ SiC 设计更高效@@、更小@@、更轻@@，而且一定程度上成@@本更低@@。
安森美@@ (onsemi) 最新的@@@@ 1200 V 和@@ 900 V N 沟道@@ EliteSiC MOSFET具有低反向恢复电荷的@@体二极管@@，可以显著降低损耗@@，即使在更高的@@频率下操作也是如此@@。芯片尺寸小有助于高频操作@@，减少栅极电荷@@，减小米勒@@ (Crss) 和@@输出@@ (Coss) 寄生电容@@，从而减少开关损耗@@。
这些新器件的@@@@@@ ID 额定电流@@高达@@ 118 A，可提高@@整体系统效率并改善@@EMI，同时允许设计人员使用更少@@（和@@更小@@@@）的@@无源@@188足彩外围@@app 。如果需要处理更高电流@@@@，这些器件可以配置为并联工作@@，因为@@它们具有正温度系数而不受温度影响@@。
主要有两种热管理@@方法@@：主动或@@被动@@。被动方法使用散热片或@@其他类似器件@@（例如热管@@）将@@多余的@@热量从发热器件转移到外壳@@，进而消散到周围环境中@@。散热片的@@散热能力随着尺寸的@@增加而增加@@，散热能力与@@可用的@@表面积成@@正比@@@@@@@@，为了在最小的@@体积中实现最大的@@表面积@@，这通常会引入复杂的@@设计@@。
主动散热通常涉及某种形式的@@降温装置@@，例如电动汽车应用中的@@@@风扇或@@冷却液@@。由于它们会产生强制气流@@@@，因此@@它们可以在受限空间@@内提供更多散热@@。然而@@，也有一些明显的@@缺点@@，包括风扇可靠性和@@需要在逆变器外壳上开孔以允许气流@@流@@通@@（这也可能导致灰尘或@@液体进入@@）。此外@@，风扇需要额外的@@电能才能运行@@，这会影响@@整体系统的@@效率@@。
总结@@
电源设计人员面临着提供更高效@@、更可靠和@@体积更小@@的@@解决方案的@@挑战@@，他们正在寻求@@ SiC 等新技术@@来帮助他们应对这些挑战并降低总成@@本@@。
基于@@ SiC 的@@开关器件使设计人员能够让系统在更高的@@温度和@@频率下以更低的@@损耗运行@@，这是应对这些挑战的@@关键@@。此外@@，这些电气性能优势意味着无源器件的@@@@热管理@@要求和@@@@188足彩外围@@app 值的@@显著降低@@，从而进一步降低成@@本和@@尺寸@@/重量@@。因此@@，SiC 方案能够以更小@@的@@尺寸@@和@@更低的@@成@@本实现更高的@@性能水平@@。