對碳化硅 (SiC) 技術的需求持續(xù)增長，該技術可最大限度地提高當今電力系統(tǒng)的效率，同時減小其尺寸、重量和成本。但是 SiC 解決方案并不是硅的直接替代品，而且它們的創(chuàng)建方式也不盡相同。為了實現(xiàn) SiC 技術的承諾，開發(fā)人員必須根據(jù)質量、供應和支持仔細評估產品和供應商選項，并了解如何優(yōu)化這些顛覆性 SiC 功率組件與其終端系統(tǒng)的集成。

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越來越多的采用

碳化硅技術正處于急劇上升的采用曲線上。隨著多個組件供應商的選擇范圍不斷擴大，產品可用性也有所增加。市場在過去三年中翻了一番，預計在未來十 (10) 年內將增長 20 倍，價值超過 100 億美元。采用范圍從車載混合動力和電動汽車 (H/EV) 應用擴展到火車、重型車輛、工業(yè)設備和電動汽車充電基礎設施中的非汽車動力和電機控制系統(tǒng)。航空航天和國防供應商也在推動 SiC 的質量和可靠性，以滿足這些部門對組件堅固性的嚴格要求。

SiC 開發(fā)計劃的一個關鍵部分是驗證 SiC 器件的可靠性和堅固性，因為這在供應商之間存在很大差異。隨著對整個系統(tǒng)的關注日益增加，設計人員還需要評估供應商提供的產品范圍。重要的是，設計師與供應商合作提供靈活的解決方案，例如由全球分銷、支持和綜合設計模擬和開發(fā)工具支持的芯片、分立和模塊選項。希望設計面向未來的開發(fā)人員還需要探索最新功能，例如解決早期實施問題的數(shù)字可編程柵極驅動器，同時通過按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)性能“調整”。

第一步：三個關鍵測試

三項測試提供了評估 SiC 器件可靠性的數(shù)據(jù)：雪崩能力；承受短路的能力；以及 SiC MOSFET 體二極管的可靠性。

足夠的雪崩能力至關重要：即使是無源器件的輕微故障也可能導致超過額定擊穿電壓的瞬態(tài)電壓尖峰，最終使設備或整個系統(tǒng)失效。具有足夠雪崩能力的 SiC MOSFET 減少了對緩沖電路的需求并延長了應用壽命。評分最高的選項展示了高達每平方厘米 25 焦耳 (J/cm2) 的高 UIS 能力。即使經(jīng)過 100,000 次重復 UIS (RUIS) 測試，這些設備也幾乎沒有出現(xiàn)參數(shù)退化。

第二個關鍵測試是短路耐受時間 (SCWT)，即軌到軌短路條件下器件發(fā)生故障前的最長時間。結果應該與功率轉換應用中使用的 IGBT 接近，其中大多數(shù)具有 5 到 10 微秒 (us) 的 SCWT。確保足夠的 SCWT 使系統(tǒng)有機會在不損壞系統(tǒng)的情況下處理故障條件。

第三個關鍵指標是 SiC MOSFET 的本征體二極管的正向電壓穩(wěn)定性。這可能因供應商而異。如果沒有適當?shù)钠骷O計、處理和材料，該二極管的導電性可能會在操作期間降低，從而導致導通狀態(tài)漏源電阻 (R DSon ) 增加。圖 1 闡明了存在的差異。在俄亥俄州立大學進行的一項研究中，對來自三個供應商的 MOSFET 進行了評估。在結果的一端，供應商 B 的所有器件的正向電流均出現(xiàn)退化，而另一方面，供應商 C 的 MOSFET 未觀察到退化。

圖 1：碳化硅 MOSFET 的正向特性，顯示了供應商在體二極管退化方面的差異。資料來源：俄亥俄州立大學 Anant Agarwal 博士和 Min Seok Kang 博士。

一旦設備可靠性得到驗證，下一步就是評估圍繞這些設備的生態(tài)系統(tǒng)，包括產品選擇的廣度、穩(wěn)固的供應鏈和設計支持。

供應、支持和系統(tǒng)級設計

在越來越多的 SiC 供應商中，今天的 SiC 公司除了經(jīng)驗和基礎設施之外，還可以在設備選擇方面有所不同，以支持和供應許多嚴格的 SiC 市場，例如汽車、航空航天和國防。

電源系統(tǒng)設計會隨著時間的推移以及在該設計的不同代中不斷改進。碳化硅應用也不例外。早期設計可能在非常標準的通孔或表面貼裝封裝選項中使用廣泛可用的標準分立電源產品。隨著應用數(shù)量的增加以及設計人員專注于減小尺寸、重量和成本，他們通常會將設計轉移到集成電源模塊或可能選擇三方合作伙伴關系。這些三方合作伙伴包括最終產品設計團隊、模塊制造商和 SiC 芯片供應商。每一個都在實現(xiàn)總體設計目標方面發(fā)揮著關鍵作用。

在快速增長的 SiC 市場中，供應鏈問題是一個關鍵且合理的問題。SiC 襯底材料是 SiC 芯片制造流程中最昂貴的材料。此外，碳化硅制造需要高溫制造設備，而這在開發(fā)硅基電源產品和 IC 時是不需要的。設計人員必須確保 SiC 供應商擁有強大的供應鏈模型，包括多個制造地點，以防發(fā)生自然災害或重大良率問題，以確保供應始終能夠滿足需求。許多組件供應商也會報廢 (EOL) 老一代設備，迫使設計人員將時間和資源花在重新設計現(xiàn)有應用程序上，而不是開發(fā)有助于降低最終產品成本和增加收入的新創(chuàng)新設計。

設計支持也很重要，包括有助于縮短開發(fā)周期的仿真工具和參考設計。借助解決 SiC 器件控制和驅動的解決方案，開發(fā)人員可以探索增強切換等新功能，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)方法的全部價值。圖 2 顯示了基于 SIC 的系統(tǒng)設計，帶有集成的數(shù)字可編程柵極驅動器，可進一步加快生產時間，同時創(chuàng)建優(yōu)化設計的新方法。

圖 2：模塊適配器板與柵極驅動器內核相結合，提供了一個平臺，可通過增強開關快速評估和優(yōu)化新的 SiC 功率器件。

設計優(yōu)化的新選項

數(shù)字可編程柵極驅動選項通過增強開關最大限度地提高 SiC 的優(yōu)勢。它們允許輕松配置 SiC MOSFET 開啟/關閉時間和電壓電平，因此設計人員可以加快開關速度并提高系統(tǒng)效率，同時降低與柵極驅動器開發(fā)相關的時間和復雜性。開發(fā)人員無需手動更改 PCB，而是可以使用配置軟件通過按鍵優(yōu)化其基于 SiC 的設計，使其面向未來，同時加快上市時間并提高效率和故障保護。

圖 3：使用數(shù)字可編程柵極驅動器實施最新的增強型開關技術有助于解決 SiC 噪聲問題、加快短路響應速度、幫助管理電壓過沖問題并最大限度地減少過熱。

隨著碳化硅在更廣泛的應用中采用的增長，早期的 SiC 用戶已經(jīng)在汽車、工業(yè)、航空航天和國防領域實現(xiàn)了優(yōu)勢。成功將繼續(xù)依賴于驗證 SiC 器件可靠性和堅固性的能力。隨著開發(fā)人員采用整體解決方案戰(zhàn)略，他們將需要獲得由完整可靠的全球供應鏈和所有必要的設計模擬和開發(fā)工具支持的綜合產品組合。通過數(shù)字可編程門驅動支持的軟件可配置設計優(yōu)化的新功能，他們還將有新的機會進行面向未來的投資。

審核編輯 黃昊宇