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我們都知道碳化硅功率半導(dǎo)體有很多的優(yōu)勢(shì)，而且已經(jīng)在汽車、光儲(chǔ)充等眾多的市場(chǎng)大放異彩，但是，碳化硅潛力還未充分被挖掘和利用，例如受限于現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，SiC功率器件的開關(guān)操作速度極其慢，這導(dǎo)致它固有的節(jié)能優(yōu)勢(shì)尚未得到充分發(fā)揮。
最近，日本方面宣布他們已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，并且展現(xiàn)出很好的效果。
3月12日，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）與明電舍聯(lián)合宣布，他們開發(fā)了世界首個(gè)內(nèi)置SiC CMOS驅(qū)動(dòng)電路的SiC功率模塊，并開出發(fā)相應(yīng)的電驅(qū)系統(tǒng)。
他們將這款模塊命名為“SiC CMOS功率模塊”，主要有幾個(gè)亮點(diǎn)：
▲ 導(dǎo)通波形和截止波形的開關(guān)速度分別為72V/ns和85V/ns，比當(dāng)前SiC模塊快大約10倍；
▲試驗(yàn)證明，這個(gè)開關(guān)速度的提升使得SiC模塊的開關(guān)損耗可以減少大約十分之一。
▲這種驅(qū)動(dòng)方法降低了噪音，有助于提高電機(jī)系統(tǒng)的可靠性。
這項(xiàng)研究成果詳情將于2025年3月20日在日本電氣工程師學(xué)會(huì)上公布。該團(tuán)隊(duì)表示，明電舍正在推進(jìn)SiC CMOS功率模塊電驅(qū)的實(shí)用化，并為量產(chǎn)的電動(dòng)汽車供應(yīng)變頻電機(jī)。
研發(fā)背景：現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器拖累SiC MOSFET
SiC MOSFET功率器件有望應(yīng)用于許多需要提高能源效率的領(lǐng)域，通常這些電源器件是通過(guò)反復(fù)打開和關(guān)閉來(lái)轉(zhuǎn)換電能的，在開關(guān)操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定程度的能量損失，也就是所謂的開關(guān)損耗，盡管SiC MOSFET的開關(guān)損耗比硅基IGBT有很大幅度的提升，但是遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到理想的狀態(tài)。
SiC MOSFET可以通過(guò)提高功率器件的開關(guān)速度（實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)動(dòng)作）可以減少開關(guān)損耗，因?yàn)镾iC功率器件具有高速開關(guān)動(dòng)作能力，因此節(jié)能性能較高。然而，目前的SiC功率器件的開關(guān)操作極慢，其固有性能尚未得到充分利用。
這其中的主要原因是：目前的驅(qū)動(dòng)方式中，高速開關(guān)動(dòng)作所產(chǎn)生的噪聲，有可能會(huì)造成SiC功率器件發(fā)生故障。因此，AIST與明電舍認(rèn)為，強(qiáng)烈需要開發(fā)一種能夠降低高速開關(guān)操作過(guò)程中噪音的驅(qū)動(dòng)方法，并將其應(yīng)用于電驅(qū)系統(tǒng)等。
SiC CMOS模塊成果：開關(guān)速度快10倍、開關(guān)損耗少10%
圖1是使用SiC CMOS電源模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)概念圖以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)逆變器的輸出電流和輸出電壓。從三色輸出電流波形可以看出，該模塊輸出了三個(gè)相移120°的正弦波，成功驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這意味著，這是截至目前世界上第一個(gè)使用SiC CMOS電源模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
此前，這個(gè)SiC CMOS功率模塊僅實(shí)現(xiàn)了極短時(shí)間（1毫秒內(nèi)）的運(yùn)行，而本次研究實(shí)現(xiàn)了連續(xù)逆變器運(yùn)行，朝著SiC CMOS功率模塊的實(shí)用化邁進(jìn)，未來(lái)在電動(dòng)汽車和工業(yè)設(shè)備電機(jī)等系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能。
圖2是該研究中使用的SiC功率器件驅(qū)動(dòng)方法的特性和結(jié)果。
如果采用當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)SiC功率器件的高速開關(guān)操作，通常會(huì)因?yàn)榇嬖谠肼暤挠绊懚l(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。
而在這項(xiàng)研究中，AIST與明電舍開發(fā)了一種使用SiC CMOS功率模塊的獨(dú)特驅(qū)動(dòng)方法，并證明了通過(guò)降低噪聲，即使與容易發(fā)生故障的當(dāng)前驅(qū)動(dòng)器結(jié)合使用，SiC功率器件的高速開關(guān)操作也是可能的。
這不僅可以降低噪聲，還有望提高電機(jī)系統(tǒng)的可靠性。而且只需用SiC CMOS模塊替換當(dāng)前的SiC模塊即可實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)操作。
圖3是SiC CMOS模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)的開關(guān)工作波形。截止?fàn)顟B(tài)到導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)波形(導(dǎo)通波形)和導(dǎo)通狀態(tài)到截止?fàn)顟B(tài)的開關(guān)波形(截止波形)的切換速度分別為72V/ns和85V/ns，這比當(dāng)前SiC功率模塊的開關(guān)速度快大約10倍，并且試驗(yàn)已經(jīng)證明，這個(gè)開關(guān)速度的提升使得模塊的開關(guān)損耗可以減少大約十分之一。
SiC單片集成IC：耐壓1200V、無(wú)需新制造工藝
現(xiàn)階段，CMOS驅(qū)動(dòng)電路和SiCMOSFET被分離到單獨(dú)的芯片中，并且信號(hào)布線通過(guò)金屬線或印刷電路板進(jìn)行。由于SiC MOSFET承受高電壓，因此與CMOS驅(qū)動(dòng)電路之間需要有足夠的絕緣距離，這對(duì)電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的小型化和輕量化造成阻礙。此外，信號(hào)線中的寄生電感（非預(yù)期電感元件）會(huì)對(duì)開關(guān)操作產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致?lián)p耗增加。
SiC單片集成功率IC這有助于電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的小型化、輕量化以及降低損耗，但同時(shí)要實(shí)現(xiàn)SiC CMOS的大輸出電流和高電壓隔離是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，因此此前尚未成功開發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品。
據(jù)“行家說(shuō)三代半”了解，早在2021年5月AIST就成功開發(fā)SiC單片集成功率IC——SiC MOSFET和CMOS驅(qū)動(dòng)電路集成在同一芯片上，耐壓為1200V。
AIST開發(fā)出獨(dú)特的新器件結(jié)構(gòu)，成功同時(shí)實(shí)現(xiàn)了SiC CMOS的高壓絕緣和輸出電流的增大。此次開發(fā)的單片功率IC將縱向MOSFET與CMOS驅(qū)動(dòng)電路集成在同一芯片上，最大限度縮短了信號(hào)配線長(zhǎng)度，從而能夠減小尺寸和重量以及寄生電感。
“行家說(shuō)三代半”給大家介紹這款芯片制造中的兩點(diǎn)細(xì)節(jié)：
1）提高p型MOSFET的輸出電流：SiC CMOS的典型問(wèn)題是p型MOSFET的輸出電流明顯低于n型MOSFET的輸出電流，這成為利用SiC CMOS驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)動(dòng)作的障礙。
AIST開發(fā)出了高晶體質(zhì)量的IE-UMOSFET的p型層。利用由外延膜形成的特性，幾乎不需要改變制造工藝，就形成了外延埋溝道。結(jié)果成功將p型MOSFET的輸出電流提高了四倍。
2）耐壓：通過(guò)形成與IE-UMOSFET相同耐壓結(jié)構(gòu)的SiC CMOS，AIST成功地將CMOS驅(qū)動(dòng)電路與1500V的漏極電壓隔離，而無(wú)需添加任何新的制造工藝。
基于該技術(shù)，AIST制作出了將CMOS驅(qū)動(dòng)電路與SiC MOSFET集成在同一芯片上的SiC單片功率IC，并在世界首次演示了開關(guān)動(dòng)作。此次新開發(fā)的技術(shù)為SiC傳感器和SiC邏輯電路等功能的集成奠定了基礎(chǔ)，有望擴(kuò)大在電力轉(zhuǎn)換設(shè)備中的應(yīng)用。
日本明電舍（Meidensha）成立于1897年，是日本五大重型電器制造商之一，隸屬于住友集團(tuán)，在日本國(guó)內(nèi)外設(shè)有42家分公司，中國(guó)地區(qū)有6家子公司，包括杭州驅(qū)動(dòng)技術(shù)公司（新能源汽車核心部件）等。2009年明電舍完成全球首臺(tái)量產(chǎn)EV馬達(dá)，主要為日產(chǎn)（Nissan）和三菱（Mitsubishi）供應(yīng)EV驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并參與下一代車型開發(fā)。
AIST成立于2001年，由日本原通產(chǎn)省下屬的15家國(guó)立研究所合并而成，旨在解決研究分散、效率低下等問(wèn)題。2015年AIST轉(zhuǎn)型為“國(guó)立研發(fā)法人”，隸屬日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省，是日本最大的公共研究機(jī)構(gòu)之一。
電動(dòng)交通&數(shù)字能源SiC技術(shù)應(yīng)用及供應(yīng)鏈升級(jí)大會(huì)
碳化硅是新能源和工業(yè)電氣化的技術(shù)發(fā)展方向，2025年5月15日，“行家說(shuō)”將在上海舉辦“電動(dòng)交通&數(shù)字能源SiC技術(shù)應(yīng)用及供應(yīng)鏈升級(jí)大會(huì)”，本屆大會(huì)將邀請(qǐng)SiC頭部廠商、下游終端應(yīng)用廠家等產(chǎn)業(yè)鏈核心玩家，共同探討碳化硅在新能源汽車中的技術(shù)應(yīng)用等關(guān)鍵話題。
