芯耀
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我們都知道碳化硅功率半導體有很多的優(yōu)勢，而且已經在汽車、光儲充等眾多的市場大放異彩，但是，碳化硅潛力還未充分被挖掘和利用，例如受限于現(xiàn)有的驅動器設計，SiC功率器件的開關操作速度極其慢，這導致它固有的節(jié)能優(yōu)勢尚未得到充分發(fā)揮。
最近，日本方面宣布他們已經解決了這個問題，并且展現(xiàn)出很好的效果。
3月12日，日本產業(yè)技術綜合研究所（AIST）與明電舍聯(lián)合宣布，他們開發(fā)了世界首個內置SiC CMOS驅動電路的SiC功率模塊，并開出發(fā)相應的電驅系統(tǒng)。
他們將這款模塊命名為“SiC CMOS功率模塊”，主要有幾個亮點：
▲ 導通波形和截止波形的開關速度分別為72V/ns和85V/ns，比當前SiC模塊快大約10倍；
▲試驗證明，這個開關速度的提升使得SiC模塊的開關損耗可以減少大約十分之一。
▲這種驅動方法降低了噪音，有助于提高電機系統(tǒng)的可靠性。
這項研究成果詳情將于2025年3月20日在日本電氣工程師學會上公布。該團隊表示，明電舍正在推進SiC CMOS功率模塊電驅的實用化，并為量產的電動汽車供應變頻電機。
研發(fā)背景：現(xiàn)有驅動器拖累SiC MOSFET
SiC MOSFET功率器件有望應用于許多需要提高能源效率的領域，通常這些電源器件是通過反復打開和關閉來轉換電能的，在開關操作時會出現(xiàn)一定程度的能量損失，也就是所謂的開關損耗，盡管SiC MOSFET的開關損耗比硅基IGBT有很大幅度的提升，但是遠沒有達到理想的狀態(tài)。
SiC MOSFET可以通過提高功率器件的開關速度（實現(xiàn)高速開關動作）可以減少開關損耗，因為SiC功率器件具有高速開關動作能力，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：目前的驅動方式中，高速開關動作所產生的噪聲，有可能會造成SiC功率器件發(fā)生故障。因此，AIST與明電舍認為，強烈需要開發(fā)一種能夠降低高速開關操作過程中噪音的驅動方法，并將其應用于電驅系統(tǒng)等。
SiC CMOS模塊成果：開關速度快10倍、開關損耗少10%
圖1是使用SiC CMOS電源模塊的電機驅動概念圖以及驅動電機時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，該模塊輸出了三個相移120°的正弦波，成功驅動電機。這意味著，這是截至目前世界上第一個使用SiC CMOS電源模塊的電機驅動。
此前，這個SiC CMOS功率模塊僅實現(xiàn)了極短時間（1毫秒內）的運行，而本次研究實現(xiàn)了連續(xù)逆變器運行，朝著SiC CMOS功率模塊的實用化邁進，未來在電動汽車和工業(yè)設備電機等系統(tǒng)的應用成為可能。
圖2是該研究中使用的SiC功率器件驅動方法的特性和結果。
如果采用當前的驅動器來實現(xiàn)SiC功率器件的高速開關操作，通常會因為存在噪聲的影響而發(fā)生故障的風險。
而在這項研究中，AIST與明電舍開發(fā)了一種使用SiC CMOS功率模塊的獨特驅動方法，并證明了通過降低噪聲，即使與容易發(fā)生故障的當前驅動器結合使用，SiC功率器件的高速開關操作也是可能的。
這不僅可以降低噪聲，還有望提高電機系統(tǒng)的可靠性。而且只需用SiC CMOS模塊替換當前的SiC模塊即可實現(xiàn)高速開關操作。
圖3是SiC CMOS模塊驅動電機時的開關工作波形。截止狀態(tài)到導通狀態(tài)的開關波形(導通波形)和導通狀態(tài)到截止狀態(tài)的開關波形(截止波形)的切換速度分別為72V/ns和85V/ns，這比當前SiC功率模塊的開關速度快大約10倍，并且試驗已經證明，這個開關速度的提升使得模塊的開關損耗可以減少大約十分之一。
SiC單片集成IC：耐壓1200V、無需新制造工藝
現(xiàn)階段，CMOS驅動電路和SiCMOSFET被分離到單獨的芯片中，并且信號布線通過金屬線或印刷電路板進行。由于SiC MOSFET承受高電壓，因此與CMOS驅動電路之間需要有足夠的絕緣距離，這對電力轉換設備的小型化和輕量化造成阻礙。此外，信號線中的寄生電感（非預期電感元件）會對開關操作產生不利影響，導致?lián)p耗增加。
SiC單片集成功率IC這有助于電力轉換設備的小型化、輕量化以及降低損耗，但同時要實現(xiàn)SiC CMOS的大輸出電流和高電壓隔離是一項艱巨的挑戰(zhàn)，因此此前尚未成功開發(fā)相關的產品。
據“行家說三代半”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驅動電路集成在同一芯片上，耐壓為1200V。
AIST開發(fā)出獨特的新器件結構，成功同時實現(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驅動電路集成在同一芯片上，最大限度縮短了信號配線長度，從而能夠減小尺寸和重量以及寄生電感。
“行家說三代半”給大家介紹這款芯片制造中的兩點細節(jié)：
1）提高p型MOSFET的輸出電流：SiC CMOS的典型問題是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驅動電路實現(xiàn)開關動作的障礙。
AIST開發(fā)出了高晶體質量的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。結果成功將p型MOSFET的輸出電流提高了四倍。
2）耐壓：通過形成與IE-UMOSFET相同耐壓結構的SiC CMOS，AIST成功地將CMOS驅動電路與1500V的漏極電壓隔離，而無需添加任何新的制造工藝。
基于該技術，AIST制作出了將CMOS驅動電路與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動作。此次新開發(fā)的技術為SiC傳感器和SiC邏輯電路等功能的集成奠定了基礎，有望擴大在電力轉換設備中的應用。
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，在日本國內外設有42家分公司，中國地區(qū)有6家子公司，包括杭州驅動技術公司（新能源汽車核心部件）等。2009年明電舍完成全球首臺量產EV馬達，主要為日產（Nissan）和三菱（Mitsubishi）供應EV驅動系統(tǒng)，并參與下一代車型開發(fā)。
AIST成立于2001年，由日本原通產省下屬的15家國立研究所合并而成，旨在解決研究分散、效率低下等問題。2015年AIST轉型為“國立研發(fā)法人”，隸屬日本經濟產業(yè)省，是日本最大的公共研究機構之一。
電動交通&數字能源SiC技術應用及供應鏈升級大會
碳化硅是新能源和工業(yè)電氣化的技術發(fā)展方向，2025年5月15日，“行家說”將在上海舉辦“電動交通&數字能源SiC技術應用及供應鏈升級大會”，本屆大會將邀請SiC頭部廠商、下游終端應用廠家等產業(yè)鏈核心玩家，共同探討碳化硅在新能源汽車中的技術應用等關鍵話題。
