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　　牵引应用中使用的半导体开关是实现高效率的关键组件。最新的半导体技术允许高开关频率，并且在大多数其他功率转换应用中，这会带来更小的磁性元件的好处，并与一些额外的开关损耗进行权衡。然而，在驱动逆变器中，磁性组件是电机，其尺寸根据扭矩和功率而定。低开关频率带来的更高效率通常比其他因素更重要。因此，开关频率约为 10 kHz 的IGBT已被广泛使用，具有坚固耐用、低传导损耗和相当低的动态损耗的记录。

　　从 IGBT 继续

　　效率目标变得越来越严格，这是可以理解的——每增加一个百分点，就会形成一个更小的尺寸、重量和成本以及更长的续航里程的良性循环的一部分。IGBT 达到约 98% 的数字是值得信赖的，但仍有进一步改进的压力。残余开关损耗可以通过使用硅或碳化硅 MOSFET 来降低，但从历史上看，它们在高功率水平下的导通损耗高于 IGBT。这源于它们的导通电阻，耗散功率与电流的平方成比例。IGBT 有一个相对固定的饱和电压，所以在大功率时有一个交叉点，IGBT 仍然获胜。换句话说，在 500 A 时，对于与 IGBT 相当的传导损耗，MOSFET 在工作结温下需要大约 3 mΩ 的导通电阻。在 EV 牵引应用中，器件需要 650 至 750 V 的额定电压，而单个 Si 或 SiC MOSFET 器件在这些电压下尚未实现该导通电阻。并联 MOSFET 是一种解决方案，但成本和复杂性呈螺旋式上升。

　　为了实现最低的传导损耗，可以考虑使用 UnitedSiC FET——SiC JFET 和 Si MOSFET 的共源共栅组合。鉴于传导损耗在电机驱动中占主导地位，并且功率半导体的价格通常与芯片总面积成正比，开关性能的一个有用的比较指标是品质因数R DS × A。这是特定电压等级的导通电阻和芯片面积的乘积。UnitedSiC FET 具有最好的R DS × A跨当前技术，包括宽带隙类型。与 UnitedSiC MOSFET 或氮化镓 FET 一样，本征二极管的低反向恢复能量消除了对外部反并联二极管的需要，就像在基于 IGBT 的电机驱动器中一样，从而进一步节省了成本。UnitedSiC FET 还可以与超级结 Si MOSFET、SiC MOSFET 和 GaN HEMT 竞争，其中比较了R DS × A与额定击穿电压。

　　历史上，硅器件有一个性能限制，如图所示，超结技术克服了这个限制。图中 4H-SiC 的极限在未来可能会被类似技术超越。如今，UnitedSiC 提供的“第 4 代”共源共栅 FET 明显领先于竞争技术，而且即使在制造方面取得进步，这种领先优势仍将保持，因为 UnitedSiC FET 是基于 JFET 的，SiC 上没有 MOS 栅极，这是主要的R DS × A优势的原因。低R DS × A的好处降低成本和开关损耗。UnitedSiC FET 的优势继续体现在雪崩和短路耐受额定值上，这在许多牵引应用中至关重要。SiC 上没有 MOS 栅极消除了参数随温度和电压以及高反向电流的变化。

　　真实结果

　　为了证明 UnitedSiC FET 与 IGBT 相比的优势，表 1显示了具有 500 VDC 总线的 200 kW、两级电压源牵引逆变器中的半导体损耗。两种器件类型的频率均为 8 kHz，总器件占地面积大致相同，与采用 TO-247 封装的八个并联 UnitedSiC FET 相比，具有一个 IGBT 加二极管模块。满载时，UnitedSiC FET 的总损耗为 1.3 kW，与 IGBT 的 4 kW 相比减少了 3.1 倍。在 EV 操作常见的较轻负载下，减少幅度更大，为 5 倍至 6 倍。此外，UnitedSiC FET 栅极驱动损耗低于 IGBT，进一步提高了轻载效率。

　　当比较 SiC MOSFET 和 UnitedSiC Gen4 FET 时，一个明显的直接优势是后者的 750-V 额定值与更常见的 SiC MOSFET 的 650-V 额定值形成对比，在高电池组电压下保持重要的设计余量。表 2在具有 350 VDC 总线的 200 kW 牵引逆变器中将 UnitedSiC Gen4 11-mΩ FET 与竞争的 Gen2 和 Gen3 SiC MOSFET 进行比较。开关频率相同，并且在三种技术中选择了并联设备的数量，以提供大致相同的损耗和结温升。在这些条件下，UnitedSiC FET 只需要 Gen2 SiC MOSFET 解决方案总芯片面积的 60% 左右，不到 Gen3 SiC MOSFET 总芯片面积的 50%，因此具有成本和外形优势。或者，对于给定的芯片面积，UnitedSiC FET 具有更低的损耗。

　　SiC JFET 也可以发挥作用

　　UnitedSiC FET 通常因其级联排列提供的熟悉的常“关”特性而被选中。然而，通常“导通”的 SiC JFET 可用于逆变器中的低侧(或高侧)开关位置。

　　JFET 的基本特性如图 2所示，取自 UnitedSiC 的 5mΩ 750V 部件数据。由于省略了串联低压 Si MOSFET，导通电阻低于等效的 UnitedSiC FET。左侧显示了与温度相关的正向特性，器件在 V GS = 0 和 2 V 时导通。增加 JFET V GS进一步增强了 JFET 通道并降低了导通电阻。如果不超过栅极-源极 pn 结“拐点”电压，则少数载流子注入可以忽略不计，对于 UnitedSiC，在 25 mA 进入栅极时，在 25˚C 至 175˚C 下分别为约 2.5 至 2.0 V Gen4 750-V JFET。在 V GS = 2 V 时，R DS( on )与 V GS = 0 V 相比提高了约 10% 。

　　SiC JFET 导通电阻比具有相同 JFET 的共源共栅低约 9%，这是一个明显的优势。在低侧开关位置，常“导通”的 JFET 特性也有好处。如果控制电源出现故障，所有低侧开关自然打开，使电机绕组短路，为感应电机创造故障安全条件。电机不能向电池组产生不受控制的扭矩和功率。通常“关闭”的高侧开关可防止击穿。

　　另一个可能的好处是使用 JFET 栅源 pn 结作为温度敏感参数。如果 SiC JFET 栅极以固定的正偏置电流(比如 10 mA)驱动，则产生的栅极-源极电压会随芯片温度线性变化。这可用于快速反应过热检测和性能监控。

　　UnitedSiC FET 和 JFET 可实现所需的效率改进

　　牵引逆变器驱动器中的 UnitedSiC FET 可显着提高效率，如果在低侧开关位置使用 SiC JFET，则可进一步提高效率。这也提供了故障安全操作和简单温度监控的宝贵附带好处。UnitedSiC(现为 Qorvo)可以提供一系列具有导通电阻和封装选项的部件，以实现最佳的成本效益解决方案。其在线 FET-Jet 计算器工具可轻松选择适用于一系列 AC/DC 和 DC/DC 拓扑的器件，并即时计算所选散热器性能的效率、损耗和温升。