一文读懂碳化硅妄想中的热规画

随着咱们谋求更强盛 
、文读妄想更小型的懂碳电源处置妄想，碳化硅 (SiC) 等宽禁带 (WBG) 质料变患上越来越盛行，化硅画特意是热规在一些具备挑战性的运用规模
，如汽车驱动零星、文读妄想直流快捷充电、懂碳储能电站
、化硅画不不断电源以及太阳能发电。热规

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这些运用有一点颇为相似，文读妄想它们都需要逆变器（图 1）。懂碳它们还需要松散且高能效的化硅画轻量级处置妄想。就汽车而言
，热规轻量化是文读妄想为了削减续航里程，而在太阳能运用中，懂碳这是化硅画为了限度太阳能配置装备部署在屋顶上的份量。

图 1.典型的 EV 能源总成
 ，其中展现了逆变器

半导体斲丧

抉择逆变器功能的主要因素之一是所运用的半导体器件（IGBT / MOSFET）。这些器件展现出两种主要规范的斲丧  ：导通斲丧以及开关斲丧。导通斲丧与激进形态下的导通电阻 (RDS(ON)) 成 正比，合计措施为漏极电流 (ID) 与漏源电压 (VDS) 的乘积
。

将 SiC MOSFET 的 VDS 特色与相似 Si IGBT 的特色妨碍比力，可能审核到，对于给定电 流
，SiC 器件的 VDS 个别较低。还值患上留意的是，与 IGBT 差距，SiC MOSFET 中的 VDS 与 ID成正比 ，这象征着它在低电流下的导通斲丧会清晰飞腾。这在高功率运用（好比汽车以及太阳能）中颇为紧张，由于它象征着在这些运用中，逆变器在其使命性命周期的大部份光阴处于小功率工 况 ，功能会有清晰后退，斲丧更低 。

图 2.Si IGBT 以及 SiC MOSFET 的 VDS 比力

驱动斲丧与开关器件所需的栅极电荷 (Qg) 成正比。这是每一个开关周期都需要的
，使其与开关频率成正比，而且 Si MOSFET 比 SiC 器件更大。妄想职员热衷于后退开关频率以减小磁性元件的尺寸 、份量以及老本，这象征着运用 SiC 器件会带来清晰优势 。

热规画影响

电源零星中的所有斲丧都市酿成热量，这会影响元件密度，从而削减终端运用的尺寸。发烧组件不光会飞腾其自己的外部温度，还会飞腾全部运用的情景温度  。为确保温升不会限度运行致使导致组件倾向，需要在妄想中妨碍热规画 。

SiC MOSFET 可能在比硅器件更高的频率以及温度下运行。由于它们可能接受更高的使命温度 ，因此削减了对于热规画的需要，可能应承器件自己发生更大的热量。这象征着，将基于硅的妄想与等效的基于 SiC 的妄想妨碍比力时 ，热规画要求要低良多，由于 SiC 零星发生的斲丧更低 ，而且可能在更高的温度下运行。

经由比力 ，一个典型的 SiC 二极管在 80kHz 下使命时，斲丧比划一硅二极管低 73%。因此， 在太阳能运用以及电动汽车的大功率逆变器中，SiC 器件的功能优势将对于飞腾电力零星的热规画需 求发生颇为清晰的影响，可能飞腾 80% 或者更多。

基于SiC的电源零星的总老本

尽管 SiC 器件投入实际运用已经有一段光阴了，但人们以为基于 SiC 的妄想最终老本将高于硅基妄想，因此在某些方面缓解了 SiC 器件的接管速率。可是，若是直接比力硅基器件以及SiC 器件的相对于老本，而不思考每一种技术对于部份零星老本的影响，可能会使妄想职员患上侵蚀误的论断。

假如咱们思考 30 kW 摆布的硅基电源处置妄想，用于开关的半导体器件加起来约占物料清单老本的10% 。主要的无源元件（电感器以及电容器）占残余老本的大部份 ，分说为 60% 以及 30%
。

尽管 SiC 器件的单元老本简直高于等效的硅基器件，但 SiC 器件的功能飞腾了对于电感器以及电容器的要求，清晰飞腾了零星的尺寸 、份量以及老本。仅此一项就能将 SiC 的物料清单的总老本低于划一硅基处置妄想。可是
，正如咱们所见，基于 SiC 的处置妄想中的热规画老本也清晰更低。因此，加之这种老本节约象征着 SiC 妄想更高效、更小、更轻 ，而且确定水平上老本更低。

安森美 (onsemi) 最新的 1200 V 以及 900 V N 沟道 EliteSiC MOSFET具备低反向恢复电荷的体二极管，可能清晰飞腾斲丧，纵然在更高的频率下操作也是如斯。芯片尺寸小有助于高频操作，削减栅极电荷，减小米勒 (Crss) 以及输入 (Coss) 寄生电容，从而削减开关斲丧
。

这些新器件的 ID 格外电流高达 118 A ，可后退部份零星功能并改善EMI
，同时应承妄想职员运用更少（以及更小）的无源元件 。假如需要处置更高电流
，这些器件可能配置装备部署为并联使命，由于它们具备正温度系数而不受温度影响。

主要有两种热规画措施：自动或者自动。自动措施运用散热片或者其余相似器件（好比热管）将过剩的热量从发烧器件转移到外壳 ，进而消散到周围情景中。散热片的散热能耐随着尺寸的削减而削减 ，散热能耐与可用的概况积成正比，为了在最小的体积中实现最大的概况积 ，这个别会引入重大的妄想。

自动散热个别波及某种方式的降温装置 ，好比电动汽车运用中的风扇或者冷却液。由于它们会发生欺压气流 ，因此它们可能在受限空间内提供更多散热 。可是，也有一些清晰的缺陷
，搜罗风扇坚贞性以及需要在逆变器外壳上开孔以应承气流利通（这也可能导致灰尘或者液体进入）。此外，风扇需要格外的电能能耐运行  ，这会影响部份零星的功能 。

总结

电源妄想职员面临着提供更高效 、更坚贞以及体积更小的处置妄想的挑战
，他们正在谋求 SiC 等新技术来辅助他们应答这些挑战并飞腾总老本 。

基于 SiC 的开关器件使妄想职员可能让零星在更高的温度以及频率下以更低的斲丧运行 ，这是应答这些挑战的关键
。此外 ，这些电气功能优势象征着无源器件的热规画要求以及元件值的清晰飞腾，从而进一步飞腾老本以及尺寸/份量
。因此，SiC 妄想可能以更小的尺寸以及更低的老本实现更高的功能水平
 。

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