|
碳化硅 (SiC) 技術(shù)能在大幅提高當前電力系統效率的同時(shí)降低其尺寸、重量和成本，因此市場(chǎng)需求不斷攀升。但是SiC 解決方案并不是硅基解決方案的直接替代品，它們并非完全相同。為了實(shí)現SiC 技術(shù)的愿景，開(kāi)發(fā)人員必須從產(chǎn)品質(zhì)量、供貨情況和服務(wù)支持等各個(gè)方面仔細評估多家產(chǎn)品和供應商，并了解如何優(yōu)化不同SiC 功率組件到其最終系統的集成。 不斷擴展的應用范圍 SiC 技術(shù)的使用量正在急劇上升。隨著(zhù)供應商的不斷增加，產(chǎn)品的選擇范圍也日益豐富。碳化硅市場(chǎng)在過(guò)去三年中翻了一番，預計在未來(lái)10 年內將增長(cháng)20 倍，市值超過(guò)100 億美元。碳化硅的應用范圍正在從混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē) (H/EV) 的車(chē)載應用擴展到火車(chē)、重型車(chē)輛、工業(yè)設備和電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施中的非汽車(chē)動(dòng)力和電機控制系統。航空航天和國防領(lǐng)域的供應商也在不斷提升SiC 的質(zhì)量和可靠性，以滿(mǎn)足這些行業(yè)對產(chǎn)品穩固性的嚴格要求。 碳化硅開(kāi)發(fā)計劃的一個(gè)關(guān)鍵部分是驗證SiC 器件的可靠性和穩固性，因為不同供應商的產(chǎn)品差異很大。隨著(zhù)大家越來(lái)越看重整體系統，設計師還需要評估供應商的產(chǎn)品供應范圍。重要的是，設計師合作的供應商要提供裸片、分立式組件和模塊選項等靈活解決方案，并提供全球分銷(xiāo)、支持以及綜合性設計模擬與開(kāi)發(fā)工具。希望其設計能滿(mǎn)足未來(lái)需求的開(kāi)發(fā)人員還需要探索新功能，如數字可編程柵極驅動(dòng)器。這些驅動(dòng)器可以解決早期的實(shí)現問(wèn)題，同時(shí)支持系統性能一鍵“調優(yōu)”。 第一步：三項關(guān)鍵測試 這三項測試提供數據來(lái)評估SiC 器件的可靠性（抗雪崩能力、短路承受能力）以及SiC MOSFET 體二極管的可靠性。 足夠的抗雪崩能力至關(guān)重要，因為即便是無(wú)源器件的輕微故障也可能導致瞬態(tài)電壓峰值超過(guò)額定擊穿電壓，從而最終導致設備或整個(gè)系統發(fā)生故障。具有足夠抗雪崩能力的SiC MOSFET 減少了對緩沖電路的需求，可延長(cháng)應用壽命。頂級產(chǎn)品可以提供高達25 焦耳/平方厘米 (J/cm2) 的UIS 性能。即使經(jīng)過(guò)100,000 次重復的UIS (RUIS) 測試，這些器件的參數退化也很小。 第二項關(guān)鍵測試是短路耐受時(shí)間 (SCWT)，或者說(shuō)軌到軌短路條件下設備發(fā)生故障前的最長(cháng)耐受時(shí)間。測試結果應接近功率轉換應用中使用的IGBT，其中大多數擁有5 到10 微秒 (us) SCWT。足夠長(cháng)的SCWT 能使系統有機會(huì )在不損壞系統的情況下解決故障問(wèn)題。 第三個(gè)關(guān)鍵指標是SiC MOSFET 本征體二極管的正向電壓穩定性。不同供應商之間該指標差異很大。如果沒(méi)有適當的器件設計、加工和材料，該二極管的導電性在運行期間可能會(huì )降低，從而使導通狀態(tài)漏源電阻 (RDSon) 增加。圖1顯示了這種差異。在俄亥俄州立大學(xué)進(jìn)行的一項研究中，對三家供應商的MOSFET 進(jìn)行了評估。一方面，供應商B 的所有器件在正向電流方面都出現了衰退，而另一方面，供應商C 的MOSFET 中未觀(guān)察到衰退現象。 
圖1：SiC MOSFET 的正向特性，顯示了不同供應商的體二極管在衰退方面的差異。 (圖源：俄亥俄州立大學(xué)的Anant Agarwal 博士和Min Seok Kang 博士。) 在器件可靠性得到驗證后，下一步就是評估這些器件的生態(tài)系統，包括產(chǎn)品選擇的豐富度、可靠的供應鏈和設計支持。 供應、支持和系統級設計 在越來(lái)越多的SiC 供應商中，今天的SiC 公司除了經(jīng)驗和基礎設施不同外，還可以提供不同的器件選擇，以支持和供應眾多要求嚴格的SiC 市場(chǎng)，如汽車(chē)、航空航天和國防。 隨著(zhù)時(shí)間的推移，電力系統的設計會(huì )在不同世代經(jīng)歷持續的改進(jìn)。SiC 應用也不例外。早期的設計可能對市面上各種常見(jiàn)的標準分立式電源產(chǎn)品都使用非常標準的通孔或表面貼裝封裝選項。隨著(zhù)應用數量的增加，設計師們開(kāi)始關(guān)注如何縮小尺寸，降低重量和成本，因此通常會(huì )將目光轉移到集成電源模塊上，或者選擇第三方合作伙伴。這些第三方合作伙伴包括最終產(chǎn)品設計團隊、模塊制造商和SiC 芯片供應商，他們在實(shí)現總體設計目標中都起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用。 在快速增長(cháng)的SiC 市場(chǎng)上，供應鏈問(wèn)題是一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵問(wèn)題。SiC 基底材料是SiC 芯片制造流程中最昂貴的材料。此外，SiC 制造需要高溫制造設備，而制造硅基功率產(chǎn)品和IC 則不需要。設計師必須確保SiC 供應商擁有穩定的供應鏈模式，包括有多個(gè)分布在不同地點(diǎn)的制造工廠(chǎng)，以確保在發(fā)生自然災害或重大生產(chǎn)問(wèn)題時(shí)供應始終能夠滿(mǎn)足需求。有許多組件供應商還會(huì )停產(chǎn) (EOL) 前代器件，迫使設計師花費時(shí)間和資源重新設計現有應用，而不是開(kāi)發(fā)有助于降低最終產(chǎn)品成本和增加收入的創(chuàng )新設計。 設計支持也很重要，包括有助于縮短開(kāi)發(fā)周期的模擬工具和參考設計。借助用來(lái)解決SiC 器件的控制和驅動(dòng)問(wèn)題的解決方案，開(kāi)發(fā)人員可以探索諸如增強型開(kāi)關(guān) (Augmented Switching) 等新功能，以實(shí)現整體系統方法的全部?jì)r(jià)值。圖2顯示了基于SiC 的系統設計，它集成了數字可編程柵極驅動(dòng)器，可進(jìn)一步加快生產(chǎn)速度，同時(shí)創(chuàng )造了優(yōu)化設計的新方法。
圖2：模塊轉接板與柵極驅動(dòng)器核心相結合提供了一個(gè)平臺，通過(guò)增強型開(kāi)關(guān)快速評估和優(yōu)化新的SiC功率器件。 優(yōu)化設計的新選項 數字可編程柵極驅動(dòng)器可通過(guò)增強型開(kāi)關(guān)最大限度地發(fā)揮SiC 的優(yōu)勢。通過(guò)它們可以輕松配置SiC MOSFET 的開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)間和電壓水平，因此設計師可以提升開(kāi)關(guān)速度和系統效率，同時(shí)縮短柵極驅動(dòng)器開(kāi)發(fā)所需的時(shí)間并降低復雜性。開(kāi)發(fā)人員不必手動(dòng)更改PCB，而是可以使用配置軟件一鍵優(yōu)化基于SiC的設計，在加快產(chǎn)品上市速度的同時(shí)提高效率和故障保護。
表1：使用數字可編程柵極驅動(dòng)器實(shí)現全新的增強型開(kāi)關(guān)技術(shù)有助于解決SiC 噪聲問(wèn)題，加快短路響應速度，幫助管理電壓過(guò)沖問(wèn)題，并盡量減少過(guò)熱情況。 隨著(zhù)SiC 應用范圍的擴大，早期SiC 采用者已經(jīng)在汽車(chē)、工業(yè)、航空航天和國防領(lǐng)域占據了優(yōu)勢。未來(lái)的成功將繼續依賴(lài)于驗證SiC 器件可靠性和穩固性的能力。隨著(zhù)開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始采用總體解決方案策略，他們將需要獲得綜合型資源組合，由完整可靠的全球供應鏈和所有必要的設計模擬與開(kāi)發(fā)工具提供支持。借助數字可編程柵極驅動(dòng)器所支持的軟件可配置設計優(yōu)化新功能，他們還將有新的機會(huì )進(jìn)行經(jīng)得起未來(lái)考驗的投資。 來(lái)源：貿澤電子 作者：Orlando Esparza |
