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罗姆第4代SiC MOSFET在电动汽车电控系统中的应用及其优势

judy — Tue, 08 Mar 2022 07:57:13 +0000

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R_DS(on)与V_GS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（C_GD）与栅极和源极之间的电容（C_GS）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（d_VDS/dt）对栅源电压VGS的影响。这将降低由正V_GS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V_GS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。

SiC介绍页面网址： http://www.rohm.com.cn/products/sic-power-devices

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。更多详情，请查看：http://www.rohm.com.cn/products/sic-power-devices

【关于罗姆（ROHM）】

罗姆（ROHM）成立于1958年，由起初的主要产品-电阻器的生产开始，历经半个多世纪的发展，已成为世界知名的半导体厂商。罗姆的企业理念是：“我们始终将产品质量放在第一位。无论遇到多大的困难，都将为国内外用户源源不断地提供大量优质产品，并为文化的进步与提高作出贡献”。

罗姆的生产、销售、研发网络分布于世界各地。产品涉及多个领域，其中包括IC、分立式元器件、光学元器件、无源元器件、功率元器件、模块等。在世界电子行业中，罗姆的众多高品质产品得到了市场的许可和赞许，成为系统IC和先进半导体技术方面的主导企业。

【关于罗姆（ROHM）在中国的业务发展】

销售网点：起初于1974年成立了罗姆半导体香港有限公司。在1999年成立了罗姆半导体（上海）有限公司， 2006年成立了罗姆半导体（深圳）有限公司，2018年成立了罗姆半导体（北京）有限公司。为了迅速且准确应对不断扩大的中国市场的要求，罗姆在中国构建了与总部同样的集开发、销售、制造于一体的垂直整合体制。作为罗姆的特色，积极开展“密切贴近客户”的销售活动，力求向客户提供周到的服务。目前在中国共设有20处销售网点，其中包括香港、上海、深圳、北京这4家销售公司以及其16家分公司（分公司：大连、天津、青岛、南京、合肥、苏州、杭州、宁波、西安、武汉、东莞、广州、厦门、珠海、重庆、福州）。并且，正在逐步扩大分销网络。

技术中心：在上海和深圳设有技术中心和QA中心，在北京设有华北技术中心，提供技术和品质支持。技术中心配备精通各类市场的开发和设计支持人员，可以从软件到硬件以综合解决方案的形式，针对客户需求进行技术提案。并且，当产品发生不良情况时，QA中心会在24小时以内对申诉做出答复。

生产基地：1993年在天津（罗姆半导体（中国）有限公司）和大连（罗姆电子大连有限公司）分别建立了生产工厂。在天津进行二极管、LED、激光二极管、LED显示器和光学传感器的生产，在大连进行电源模块、热敏打印头、接触式图像传感器、光学传感器的生产，作为罗姆的主力生产基地，源源不断地向中国国内外提供高品质产品。

社会贡献：罗姆还致力于与国内外众多研究机关和企业加强合作，积极推进产学研联合的研发活动。2006年与清华大学签订了产学联合框架协议，积极地展开关于电子元器件先进技术开发的产学联合。2008年，在清华大学内捐资建设“清华-罗姆电子工程馆”，并已于2011年4月竣工。2012年，在清华大学设立了“清华-罗姆联合研究中心”，从事光学元器件、通信广播、生物芯片、SiC功率器件应用、非挥发处理器芯片、传感器和传感器网络技术（结构设施健康监测）、人工智能（机器健康检测）等联合研究项目。除清华大学之外，罗姆还与国内多家知名高校进行产学合作，不断结出丰硕成果。

罗姆将以长年不断积累起来的技术力量和高品质以及可靠性为基础，通过集开发、生产、销售为一体的扎实的技术支持、客户服务体制，与客户构筑坚实的合作关系，作为扎根中国的企业，为提高客户产品实力、客户业务发展以及中国的节能环保事业做出积极贡献。

SiC MOSFET：桥式结构中栅极－源极间电压的动作

judy — Fri, 11 Feb 2022 06:41:38 +0000

从本文开始，我们将进入SiC功率元器件基础知识应用篇的第一弹“SiC MOSFET：桥式结构中栅极－源极间电压的动作”。

前言

MOSFET和IGBT等电源开关元器件被广泛应用于各种电源应用和电源线路中。另外，所使用的电路方式也多种多样，除单独使用外，还有串联连接、并联连接等多种使用方法。

其中，在将开关元件上下串联连接的桥式结构中，通常交替地导通与关断各个元器件。下面是常规的桥式结构同步方式boost电路，波形图是根据栅极信号交替地导通/关断的低边（LS）MOSFET和高边（HS）MOSFET的漏极－源极间电压（VDS）和漏极电流（ID）示例。

通过开关工作，流过各元件的电流和变化的电压以复杂的方式相互影响。尤其是在处理高电压高电流的电路中，受安装电路板和结线引起的寄生分量等影响，产生电压和电流的动作，并因此导致工作不稳定、效率下降，从而可能导致损耗增加、产生异常发热等问题。

近年来，SiC MOSFET等高性能功率元器件的应用，使得通过高速开关转换大功率成为可能，但在操作过程中，需要对开关工作有深入的了解。在该系列文章中，我们将着眼于MOSFET桥式结构中的各MOSFET的栅极－源极间电压的动作，以简单的同步方式boost电路为例，对以下内容进行探讨：

・MOSFET的桥式结构与同步方式boost电路

・栅极驱动电路与导通/关断工作

・因dVDS/dt、dID/dt而产生的电流和电压

・导通时栅极信号的动作

・关断时栅极信号的动作

文章来源：Rohm

桥式电路的开关产生的电流和电压

judy — Mon, 17 Jan 2022 08:52:44 +0000

在上一篇文章中，对SiC MOSFET桥式结构的栅极驱动电路的导通(Turn-on)/关断( Turn-off)动作进行了解说。本文将介绍在SiC MOSFET这一系列开关动作中，SiC MOSFET的VDS和ID的变化会产生什么样的电流和电压。

下面的电路图是SiC MOSFET桥式结构的同步式boost电路，LS开关导通时的示例。电路图中包括SiC MOSFET的寄生电容、电感、电阻，HS和LS的SiC MOSFET的VDS和ID的变化带来的各处的栅极电流（绿色线）。

ID的变化dID/dt所产生的电压

ID的变化将会产生下述公式（1）所示的电压。

这是由于存在于SiC MOSFET源极的寄生电感中流过ID而产生的电压，是由电路图中的(I)引起的。该电压会使电流(I’)流过。

VDS的变化dVDS/dt所产生的电流

以HS为例，当SiC MOSFET关断、VDS变化时，Gate-Drain寄生电容CGD中会流过电流ICGD。如电路图所示，该电流分为Gate-Source寄生电容CGS侧流过的电流ICGD1：(II)-1和栅极电路侧流过的电流ICGD2：(II)-2。当VDS开始变化时，栅极电路侧的阻抗较大，因此大部分ICGD都在CGS侧，此时的ICGD1如公式（2）所示。

从公式可以看出，当CGD较大时或CGD/CGS的比值变小时，ICGD1会增加。

dVDS/dt和dID/dt既可以为正也可以为负，所以因它们而产生的电流和电压的极性在导通（Turn-on）和关断（Turn-off）时是不同的。在下一篇文章中将会进一步详细解说。

文章转载自：Rohm

SiC MOSFET的栅极驱动电路和Turn-on/Turn-off动作

judy — Fri, 14 Jan 2022 08:02:21 +0000

本文将针对上一篇文章中介绍过的SiC MOSFET桥式结构的栅极驱动电路及其导通(Turn-on)/关断( Turn-off)动作进行解说。

SiC MOSFET桥式结构的栅极驱动电路

LS（低边）侧SiC MOSFET Turn-on和Turn-off时的VDS和ID的变化方式不同。在探讨SiC MOSFET的这种变化对Gate-Source电压（VGS）带来的影响时,需要在包括SiC MOSFET的栅极驱动电路的寄生分量在内的等效电路基础上进行考量。

右图是最基本的栅极驱动电路和SiC MOSFET的等效电路。栅极驱动电路中包括栅极信号（VG）、SiC MOSFET内部的栅极线路内阻（RG_INT）、以及SiC MOSFET的封装的源极电感量（LSOURCE）、栅极电路局部产生的电感量（LTRACE）和外加栅极电阻（RG_INT）。

关于各电压和电流的极性，需要在等效电路图中，以栅极电流（IG）和漏极电流（ID）所示的方向为正，以源极引脚为基准来定义VGS和VDS。

SiC MOSFET内部的栅极线路中也存在电感量，但由于它比LTRACE小，因此在此忽略不计。

导通(Turn-on)/关断( Turn-off)动作

为了理解桥式电路的Turn-on / Turn-off动作，下面对上一篇文章中提到的桥式电路中各SiC MOSFET的电压和电流波形进行详细说明。下面的波形图与上次的波形图是相同的。我们和前面的等效电路图结合起来进行说明。

当正的VG被施加给LS侧栅极信号以使LS侧ON时，Gate-Source间电容（CGS）开始充电，VGS上升，当达到SiC MOSFET的栅极阈值电压（VGS(th)）以上时， LS的ID开始流动，同时从源极流向漏极方向的HS侧ID开始减少。这个时间范围就是前一篇文章中定义的T1（见波形图最下方）。

接下来，当HS侧的ID变为零、寄生二极管 Turn-off时，与中间点的电压（VSW）开始下降的同时，将对HS侧的Drain-Source间电容（CDS）及Drain-Gate间电容（CGD）进行充电（波形图T2）。对该HS侧的CDS＋CGD充电（LS侧放电）完成后，当LS侧的VGS达到指定的电压值，LS侧的 Turn-on动作完成。

而Turn-off动作则在LS侧VG OFF时开始，LS侧的CGS蓄积的电荷开始放电，当达到SiC MOSFET的平台电压（进入米勒效应区）时，LS侧的VDS开始上升，同时VSW上升。

在这个时间点，大部分负载电流仍在LS侧流动（波形图T4），HS侧的寄生二极管还没有转流电流。LS侧的CDS+CGD充电（HS侧为放电）完成时，VSW超过输入电压（E），HS侧的寄生二极管Turn-on，LS侧的ID开始转向HS侧流动（波形图T5）。

LS侧的ID最终变为零，进入死区时间（波形图T6），当正的VG被印加给HS侧MOSFET的栅极信号时Turn-on，进入同步工作时间（波形图T7）。

在这一系列的开关工作中，HS侧和LS侧MOSFET的VDS和ID变化导致的各种栅极电流流动，造成了与施加信号VG不同的VGS变化。具体内容将在下一篇文章进行详细说明。

本文转载自：Rohm