從電池能量到車輪動力，新能源汽車EV具有約為59％-62％的轉換效率，而且依然有提升的潛力。而我們的內燃機正在為努力達到21％的效率抓破了頭。但至少有一個可能的路線能夠提高電動汽車的性能，就是採用新型半導體開關用於動力傳動系統。要實現更高的效率，關鍵是功率轉換效率。這些難題似乎已被IGBT攻克，然而隨著技術的更新，在許多應用中IGBT已經被碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料製造的寬帶隙（WBG）半導體技術所取代。
新型功率半導體企業美商聯合碳化硅股份有限公司（UnitedSiC）宣佈將推出四種新型SiC FET——UF3SC。據介紹，該產品的RDS（ON）值可低至7mΩ，並可提供前所未有的性能和高效率，適用於電動汽車（EV）逆變器、高功率DC/DC轉換器、大電流電池充電器和固態斷路器等高功率應用。在這四款全新UF3C SiC FET器件中，一款產品額定電壓值為650V，RDS（on）為7 mΩ，另外三款電壓額定值為1200V，RDS（on）分別為9和16 mΩ。
UnitedSiC工程師表示，與Si器件相比，SiC功率器件可以有效實現電力電子系統的高效率、小型化和輕量化。此外，基於卓越的電阻特性，能量損耗可降低70-90%。 因此可以大大改善系統上的散熱。由於SiC可承受更高的溫度，即可實現更高的集成。這將會滿足未來客戶對系統體積小型化，輕量化的訴求。其中，出色的二極管特性使得Vf僅為2V，與傳統的SiC MOSFET 3.5V相比提高了不少，從而大大降低了二極管的損耗。
UnitedSiC的UF3C FET產品系列的獨特之處在於其真正的“直接替代”功能。設計人員通過採用UnitedSiC FET替換已有的Si IGBT、Si FET、SiC MOSFET或硅超級結器件，即可顯著提高系統性能，而無需改變柵極驅動電壓。
SiC FET基於UnitedSiC獨特的“共源共柵”電路配置，其中常開（normally-on）SiC JFET與Si MOSFET共同封裝，可構建出具有標準柵極驅動特性的常關（normally-off）SiC FET器件。因此，現有系統在採用UnitedSiC“直接替代”FET升級後將具有很大性能提升，實現更低的導通和開關損耗，增強的熱性能和集成柵極ESD保護。
堆疊式共源共柵（cascode）技術
UF3SC之所以能夠有這些優勢，要得益於其堆疊式共源共柵（cascode）技術的發揮，什麼是共源共柵？這裡先普及一下SiC FET基礎知識以及技術原理。
所謂SiC FET，它是一種特定類型的WBG器件，是SiC JFET和Si MOSFET的複合體或“共源共柵（級聯）”，其通常設置為OFF，沒有偏壓，並可在納秒級內切換。與SiC MOSFET和GaN器件相比，它非常易於驅動，其品質因數RDSA與芯片面積歸一化的導通電阻（ON-resistance）非常出色。這種器件由於採用垂直架構，具有極低的內部電容，使開關轉換損耗極低。 SiC FET擁有非常快的體二極管，可減少電機驅動等應用中的損耗，並且不需要使用外部SiC肖特基二極管。
SiC FET（共源共柵）RDSA：通過芯片面積比較歸一化導通電阻
UnitedSiC的新款SiC FET產品在1200Vds時，其RDS（on）可接近9mΩ，650Vds的產品可以做到7mΩ的器件。如此低的阻抗得益於良好的銀燒結貼片工藝技術，並與Si IGBT，Si MOSFET和SiCMOSFET柵極驅動電壓兼容。這就讓客戶可以在既有的設計平臺上的電路進行設計。如果是新設計，UnitedSiC FET可提供更高的開關頻率，從而帶來顯著的系統優勢，能夠實現更高效率，並可減小磁性元件和電容器等無源元件的尺寸和成本。
而且，UnitedSiC的SiC FET的驅動電壓範圍可以覆蓋到±20V的範圍，這對於Si IGBT，SiFET，SiCMOSFET或Si超結器件可以輕鬆升級，而不需要做任何的設計更改。
由於SiC FET的門檻電壓Vth不會隨著溫度的變化而變化，在高溫或低溫情況下都會保持良好的開關特性，因此它在並聯上的應用就會展現優異的性能，尤其是在高功率EV 逆變器中具有明顯的優勢。在使用並聯TO247-4L 器件上，可顯著降低成本。在損耗方面，對於8kHz，200KW的產品而言，每個開關使用6x並聯SiC FET可以將損耗降低近3倍。這將大大提升電機效率，從而使得電動車得到更高的里程數。
對於在較低的電池電壓系統應用上，UF3SC65007K4S與基於IGBT的系統具有更高的效率。通過650V，7mΩSiC FET的使用，除了作為用於替代輔助側二極管的同步整流器之外，它可以大大降低在順向導通過程中二極管發熱的問題。
UF3SC在固態斷路器中具有優勢
與其他二極管特性不同的是，由於UF3SC無法產生電弧，所以可作為電阻絲的保護裝置。據介紹，SiC FET會自動限制飽和電流，其內部的短路電流會被內部通道所抑制。UnitedSiC的工程師介紹了由6顆芯片並聯而成的保護開關，其阻抗可小到2mΩ，在大電流工作過程中，可以限制其最高電流，因此它是作為固態電子保護器的元件最佳候選。
此外，在60KVA 逆變器的使用中，在傳統設計上，該功率水平通常是通過電源模塊來實現，但現在可以通過UnitedSiC分立器件來實現高功率等級的設計。
與具有類似額定值的IGBT相比，WBG器件被認為比較昂貴，針對這一問題，UnitedSiC工程師表示，由於WBG的原材料較為昂貴，價格上恐略有上浮，但通過技術的演進，許多產品的價格已經接近於Si等級MOSFET的產品。雖然IGBT依舊是電動機的主力，但隨著材料的演進，目前已有很多廠商在對基於SiC FET進行電機的開發。未來還會在成本方面進行考量，但WBG無疑是高效率器件的首選，隨著電動車的強勁趨勢，這個市場需求前景依舊光明。
總結
得益於UF3SC 業界最低的RDS（on）SiC FET以及UnitedSiC先進的SiC技術，UF3SC在性能,效率，可靠性和成本效益方面都有著不俗的表現。
UnitedSiC是市場上唯一一家可以使用Si驅動的SiC元件。旗下的SiC FET等當代WBG器件是下一代EV電機驅動器的真正強有力競爭者，能夠在苛刻汽車環境下提供更好的性能、更低的總體成本、以及經過驗證的可靠運行。因此，預計未來十年碳化硅器件將成為動力傳動系統的主導技術。
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