导语：电动和混合动力电动汽车 (EV/HEV) 的电池颇受关注，然而，工程实际却是整个动力管理子系统 — 包括基本电机驱动、车载和外部充电器、电源使用和再生制动等功能，都与提高 EV 性能同等重要。因此，随着 EV 需求量持续增长，人们越来越重视改良组件的开发和利用，以此优化 EV 电池使用并延长汽车行驶里程。
由作为功率控制器件的标准金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 渡越为基于碳化硅 (SiC) 基底和工艺技术的 FET，标志着向 EV 能效和系统整体特性提升迈出的重要一步。不过，SiC 器件的关键规格和驱动要求都与 MOSFET 有所区别，只有深入了解才能充分发挥其优势。
本文概述了 EV 和 HEV 的动力要求，解释 SiC 基功率器件适合此类应用的原因，并阐明其辅助器件驱动器的功能。本文简要讨论通过汽车级 AEC-Q101 标准鉴定对分立式器件的意义。
为 EV 和 HEV 提供动力
内燃机 (IC)、EV 和 HEV 等所有汽车对动力子系统的需求一直呈指数级增长，以支持高级辅助驾驶系统 (ADAS)、电动车窗、车门和后视镜、内部网络及连接、雷达、娱乐系统、GPS 等功能。
IC 车辆的主要电源通常采用 12 V，100 至 200 Ah 的标准铅酸电池。不过，相较于 EV 电池，其电量要求相对较小，因为 EV 电池还必须为“原动机”供电（图 1）。因此，EV 电池组容量范围为 50 至 150 kWh，具体取决于车辆功能、尺寸和供应商，电压典型值为 200 至 300 V。如需进行同环境比较，则使用以下公式将其转换为 Ah：Ah = (kWh × 1,000)/V。
图 1：EV 基于电池的动力子系统为牵引电机及相关功能，以及如今驾驶员所期望的许多标准特性和功能供电。（图片来源：ROHM Semiconductor）
动力子系统整体能效的决定因素众多，其中最重要的还属开关稳压器的性能。该器件可将原始电能转换为传动系统和电池充电所需的电压/电流。
原因很简单，电流水平达到数百安培时，基本的阻抗 (IR) 压降就成了关键参数。例如，100 A 时，即便只是 100 mΩ 的导通电阻 (RDS(ON)) 也会在两方面产生不利影响：一是 10 V 的输送电压损耗，二是必须管理 100 W 的耗散功率 (I2R)。除 RDS(ON) 损耗外，DC/AC 和 DC/DC 转换器的开关损耗也会降低能效，缩短电池续航时间，并且增加热负荷和耗散功率。
为什么要考虑 SiC？
众所周知，针对这些静态损耗，降低 IR 压降和 I2R 损耗的常用策略有两种：1) 降低导通电阻；2) 提高系统工作电压从而降低所需电流，却可为负载提供等量功率。任何以期降低动态开关损耗的器件改进（通常与器件物理特性、开关频率及其他因素有关）都会产生巨大影响。
过去数十年间，市面上主要的功率开关器件是硅 (Si) 基 MOSFET 和绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)。尽管技术进步显著提高了器件性能，但改进已基本进入平台期。与此同时，EV 应用却需要性能表现更佳的开关器件兼具可行性和吸引力。
所幸过去数十年间，另一种固态 MOSFET 工艺技术已然成熟：这种技术基于由硅和碳通过共价键连接而成的碳化硅 (SiC) 材料，而非全硅材料。尽管 SiC 拥有百余种不同型态（独特结构），但由于生产和加工原因，4H 型和 6H 型最受青睐。
相较于全 Si MOSFET，SiC MOSFET 在许多关键属性上具有绝对优势：
SiC 的临界电场约为 Si 的 8 倍，因此非常适合用作功率半导体器件。高介电强度可使芯片更薄，掺杂层相对较厚，并且损耗更低。
SiC 的导热率约为 Si 的 3 倍，因此产生的全部热量都可以通过传导传递，材料本身的温度自然就低得多。
SiC 的熔点相当高，因此工作温度可达 400℃ 以上（标准 Si 器件最高达 150℃）。较高的工作温度极大简化了冷却要求，使 SiC 器件即使在更高的环境温度下工作，温差仍足以支持热量的传导和对流。
SiC 支持的最大电流密度是硅器件的 2 至 3 倍，因此在给定功率水平下可以降低元器件和系统成本。
如表 1 所示，标准硅、4H SiC 和 6H SiC 本身的临界电气特性规格显然各有不同。SiC 的带隙能量和临界电场值较高，因而工作电压相对较高；电子和空穴迁移率较小，开关损耗较低，因而工作频率较高（所需滤波器和无源元器件也相对较少）。此外，较高的导热率和工作温度也简化了冷却要求。
表 1：硅、两种型态的 SiC 与金刚石（用以对照）的基本材料级关键电气特性。（表格来源：Semantic Scholar）
SiC 成熟度与 AEC-Q101
不过，SiC 器件从理论推断过渡到具体实现，发展并非一路顺畅快捷。但是在过去十年间，经过数次更新换代，每一次都伴随着工艺的改进和结构的重大变化，SiC 基 MOSFET 终于发展成熟。
符合 AEC 标准
伴随成熟 SiC 器件及此前数代产品的另一个问题在于，是否能够通过 AEC-Q101 标准鉴定。该标准基于美国汽车电子委员会 (AEC) 颁布的一套规范。该委员会由主要汽车制造商和美国电子元器件制造商组成，负责构建汽车电子可靠性测试体系。主要协议有：
AEC-Q100（IC 器件）
AEC-Q101（MOSFET 等分立元器件）
AEC-Q102（分立光电元件）
AEC-Q104（多芯片模块）
AEC-Q200（无源元器件）
相比工业应用中广泛采用的其他标准，AEC-Q101 标准更为严格。AEC 规范设立了一系列等级，如表 2 所示。SiC 器件可以满足 0 级（-40℃ 至 +150℃），而全硅器件往往达不到该等级。1 级适用于车内应用，确保器件可在 -40℃ 至 +125℃ 的环境温度范围内稳定运行，但传动系统和发动机舱内应用则需要 0 级。
表 2：相比商业和工业应用中采用的其他标准，AEC 可靠性鉴定标准更具挑战性。（表格来源：Texas Instruments）
请注意，据某些供应商报告称，工业应用开始逐步采用 AEC-Q100 系列规范以确保增强可靠性。从成本角度来看，此举确实可行。由于电子设备和元器件广泛应用于汽车，显著降低了工业应用与汽车应用之间的价格差异。
SiC 器件支持中等至大电流设计
SiC 器件不单单适用于 EV 的大电流应用。除传动系统外，许多低功率功能（例如电动座椅/车窗、座椅和车厢加热器、电池预热器、交流电机、动力转向系统）也可受益于 SiC MOSFET 的特性。
SiC FET 的辅助栅极驱动器
无论是硅 MOSFET、SiC FET 还是 IGBT，功率器件本身只是功率转换/控制设计的一部分。实际上，大功率“信号链”运行需要三大功能：控制器、栅极驱动器和功率半导体。
在驱动特性方面，SiC 器件与 Si 器件（和 IGBT）虽有类似，却仍有较大差异。例如，由于 SiC MOSFET 的跨导较低，从线性（阻性）区域到饱和区域的过渡相对平缓，不似 Si 器件一般明显，因此导通状态下，SiC 器件的栅源电压 (VGS) 大于 20 V，而关断状态下则介于 -2 V 至 -5 V 之间（因为 VGS 阈值的噪声容限较低）。
SiC 驱动器需要满足以下条件：
供电电压相对较高（25 至 30 V），通过低传导损耗实现高能效
具有较大驱动电流（典型值 > 5 A）、低阻抗和快速压摆率，瞬态电压变化率 (dV/dt) 较小，使驱动电流流入和流出栅极电容时开关损耗更低
快速短路保护（典型响应值 <400 ns），因为 SiC 器件的开关速度比 Si 器件快
降低传播延迟和器件间偏移（同样可提高能效）
具有超高 dV/dt 抗扰度，可确保在高电压大电流工作环境中稳定运行
SiC 基 FET、Si MOSFET 与 IGBT 的差异一览表如下。
表 3：虽然 Si 基 MOSFET 和 IGBT 的驱动要求大致相同，但 SiC 器件的驱动规格却大不相同。（表格来源：Texas Instruments）
由于这些器件与各种其他系统拓扑因素都在高压下运行，因此设计标准中通常包括爬电距离和间隙尺寸相关的监管问题。此外，在控制器和功率器件之间进行电流（阻性）隔离总是必要之举。
电流隔离可以使用独立元器件布置于控制器和驱动器之间，也可以使用多芯片驱动器的内置功能。后者可使整体占用空间更小，但是一些设计人员更倾向于使用独立隔离器，以便选择隔离技术（例如磁、光、电容）以及性能规格。
总结
可行的 EV 应用必须具备高端电池和高性能电源管理，而两者均可由 SiC MOSFET 等先进的功率开关器件提供。如上所述，第 2 代和第 3 代器件的多个性能参数在导通电阻、损耗、开关性能和热性能等方面均优于现有 Si 器件。
然而，为了充分发挥这些高性能 SiC 器件的潜力，设计人员还必须选择符合应用需求的栅极驱动器。
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