在歐盟2035年零排放目標(biāo)等雄心勃勃的計(jì)劃推動(dòng)下，從化石燃料向電動(dòng)汽車(EV)的轉(zhuǎn)型正在加速。為了吸引消費(fèi)者，電動(dòng)汽車必須擁有足夠的續(xù)航里程，支持快速充電，而且要經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。在這一變革中，碳化硅(SiC)半導(dǎo)體，尤其是MOSFET器件，是大幅提升電力電子性能的關(guān)鍵技術(shù)。

SiC MOSFET的優(yōu)勢

在高壓應(yīng)用中，SiC MOSFET性能優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件，具體表現(xiàn)為能效更高、開關(guān)速度更快、熱損耗更低。借助這項(xiàng)技術(shù)，主驅(qū)逆變器和車載充電器(OBC)能夠在保持高能效和峰值功率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)更緊湊的模塊設(shè)計(jì)，從而減輕整車重量，提升空間利用率。

圖1：安森美EliteSiC MOSFET 的技術(shù)演進(jìn)

左：M1技術(shù)（平面方形單元）

中：M2技術(shù)（采用薄晶圓技術(shù)的平面細(xì)長六角單元）

右：M3S技術(shù)（平面條帶單元，薄晶圓技術(shù)，單位單元數(shù)量顯著減少）

提升電動(dòng)汽車應(yīng)用的性能

在電動(dòng)汽車的關(guān)鍵應(yīng)用中，SiC MOSFET 正逐漸取代Si MOSFET、二極管和IGBT。雖然IGBT技術(shù)因其成本優(yōu)勢仍廣泛應(yīng)用于中低端電動(dòng)汽車，但SiC器件憑借更高的開關(guān)頻率，降低了導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，提升了能效，并實(shí)現(xiàn)了更高的功率和電流密度。

采用安森美(onsemi)的EliteSiC MOSFET后，開發(fā)者不僅可以構(gòu)建支持800 V 電池電壓的22 kW OBC 功率級(jí)，還能打造HV-LV DC-DC 轉(zhuǎn)換器，將400 V 或800 V 電池的高電壓降至12 V 低壓電網(wǎng)。為了充分發(fā)揮SiC MOSFET 的性能優(yōu)勢，其他系統(tǒng)元件（如柵極驅(qū)動(dòng)器）應(yīng)針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

主驅(qū)逆變器和市場增長

主驅(qū)逆變器是電動(dòng)汽車中的關(guān)鍵部件，用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在這個(gè)領(lǐng)域，SiC器件正在逐步取代傳統(tǒng)的IGBT。IDTechEx預(yù)測，到2035年，SiC MOSFET 將成為電動(dòng)汽車逆變器市場的主流技術(shù)。此類逆變器需要使用額定電壓為600 V 至1200 V 的高壓元件，每相工作電流峰值高達(dá)200 A，功率范圍為50 kW 至250 kW 甚至更高。

IDTechEx還預(yù)測，到2035年，電動(dòng)汽車電力電子器件的全球市場規(guī)模將達(dá)到360億美元，2025至2035年間的復(fù)合年增長率(CAGR)將高達(dá)17%。

柵極驅(qū)動(dòng)器的作用

采用SiC MOSFET 的高性能電力系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能效，必須配備具有高拉電流和灌電流峰值能力的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。柵極驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)控制SiC MOSFET 等功率晶體管的開關(guān)速度，提供快速切換所需的精準(zhǔn)柵極電壓(VGS)和電流，對(duì)于有效降低開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗至關(guān)重要。

圖2：NCV51752內(nèi)部電路簡化框圖

專用柵極驅(qū)動(dòng)器為MOSFET柵極提供必要的電壓和驅(qū)動(dòng)電流，并集成低壓側(cè)和高壓側(cè)之間所需的隔離柵。這類驅(qū)動(dòng)器通過實(shí)現(xiàn)電氣隔離、獨(dú)立欠壓鎖定和多種故障保護(hù)機(jī)制等特性，提升了系統(tǒng)的可靠性、電路穩(wěn)健性和運(yùn)行安全性。

集成負(fù)偏壓控制的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器

安森美的NCV51752是一款單通道柵極驅(qū)動(dòng)器，用于驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET，確保開關(guān)快速可靠。憑借36 ns 的短傳播延遲和200 V/ns 的高dV/dt抗擾度，NCV51752能夠有效提升SiC系統(tǒng)的性能，并可憑借集成的負(fù)偏壓控制和高隔離電壓，進(jìn)一步提高可靠性和安全性。

圖3：能夠產(chǎn)生負(fù)偏壓的NCV51752柵極驅(qū)動(dòng)器的典型示例原理圖

SiC MOSFET 是高速開關(guān)器件，可能產(chǎn)生高擺率，導(dǎo)致器件因米勒電容效應(yīng)而觸發(fā)寄生導(dǎo)通。NCV51752通過在關(guān)斷期間將VGS拉至0V以下來避免此問題，防止誤導(dǎo)通，而且無需外接負(fù)偏壓軌，從而節(jié)省整體系統(tǒng)成本。

SiC和高性能柵極驅(qū)動(dòng)器正在革新電動(dòng)汽車電力系統(tǒng)，帶來更高的能效、更快的開關(guān)速度和更優(yōu)越的性能。隨著電動(dòng)汽車市場持續(xù)增長，這些技術(shù)將在滿足消費(fèi)者期望和符合監(jiān)管目標(biāo)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，引領(lǐng)可持續(xù)交通出行的未來發(fā)展。