對(duì)碳化硅 (SiC) 技術(shù)的需求持續(xù)增長(zhǎng)，該技術(shù)可最大限度地提高當(dāng)今電力系統(tǒng)的效率，同時(shí)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(shí)現(xiàn) SiC 技術(shù)的承諾，開(kāi)發(fā)人員必須根據(jù)質(zhì)量、供應(yīng)和支持仔細(xì)評(píng)估產(chǎn)品和供應(yīng)商選項(xiàng)，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。

下載我們的 GaN 和 SiC 技術(shù)電子書(shū)

越來(lái)越多的采用

碳化硅技術(shù)正處于急劇上升的采用曲線上。隨著多個(gè)組件供應(yīng)商的選擇范圍不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品可用性也有所增加。市場(chǎng)在過(guò)去三年中翻了一番，預(yù)計(jì)在未來(lái)十 (10) 年內(nèi)將增長(zhǎng) 20 倍，價(jià)值超過(guò) 100 億美元。采用范圍從車載混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車 (H/EV) 應(yīng)用擴(kuò)展到火車、重型車輛、工業(yè)設(shè)備和電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施中的非汽車動(dòng)力和電機(jī)控制系統(tǒng)。航空航天和國(guó)防供應(yīng)商也在推動(dòng) SiC 的質(zhì)量和可靠性，以滿足這些部門對(duì)組件堅(jiān)固性的嚴(yán)格要求。

SiC 開(kāi)發(fā)計(jì)劃的一個(gè)關(guān)鍵部分是驗(yàn)證 SiC 器件的可靠性和堅(jiān)固性，因?yàn)檫@在供應(yīng)商之間存在很大差異。隨著對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)注日益增加，設(shè)計(jì)人員還需要評(píng)估供應(yīng)商提供的產(chǎn)品范圍。重要的是，設(shè)計(jì)師與供應(yīng)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(shè)計(jì)模擬和開(kāi)發(fā)工具支持的芯片、分立和模塊選項(xiàng)。希望設(shè)計(jì)面向未來(lái)的開(kāi)發(fā)人員還需要探索最新功能，例如解決早期實(shí)施問(wèn)題的數(shù)字可編程柵極驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能“調(diào)整”。

第一步：三個(gè)關(guān)鍵測(cè)試

三項(xiàng)測(cè)試提供了評(píng)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(guān)重要：即使是無(wú)源器件的輕微故障也可能導(dǎo)致超過(guò)額定擊穿電壓的瞬態(tài)電壓尖峰，最終使設(shè)備或整個(gè)系統(tǒng)失效。具有足夠雪崩能力的 SiC MOSFET 減少了對(duì)緩沖電路的需求并延長(zhǎng)了應(yīng)用壽命。評(píng)分最高的選項(xiàng)展示了高達(dá)每平方厘米 25 焦耳 (J/cm2) 的高 UIS 能力。即使經(jīng)過(guò) 100,000 次重復(fù) UIS (RUIS) 測(cè)試，這些設(shè)備也幾乎沒(méi)有出現(xiàn)參數(shù)退化。

第二個(gè)關(guān)鍵測(cè)試是短路耐受時(shí)間 (SCWT)，即軌到軌短路條件下器件發(fā)生故障前的最長(zhǎng)時(shí)間。結(jié)果應(yīng)該與功率轉(zhuǎn)換應(yīng)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(jī)會(huì)在不損壞系統(tǒng)的情況下處理故障條件。

第三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)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(yīng)商而異。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)钠骷O(shè)計(jì)、處理和材料，該二極管的導(dǎo)電性可能會(huì)在操作期間降低，從而導(dǎo)致導(dǎo)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(xué)進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，對(duì)來(lái)自三個(gè)供應(yīng)商的 MOSFET 進(jìn)行了評(píng)估。在結(jié)果的一端，供應(yīng)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(yīng)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(yīng)商在體二極管退化方面的差異。資料來(lái)源：俄亥俄州立大學(xué) Anant Agarwal 博士和 Min Seok Kang 博士。

一旦設(shè)備可靠性得到驗(yàn)證，下一步就是評(píng)估圍繞這些設(shè)備的生態(tài)系統(tǒng)，包括產(chǎn)品選擇的廣度、穩(wěn)固的供應(yīng)鏈和設(shè)計(jì)支持。

供應(yīng)、支持和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)

在越來(lái)越多的 SiC 供應(yīng)商中，今天的 SiC 公司除了經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)設(shè)施之外，還可以在設(shè)備選擇方面有所不同，以支持和供應(yīng)許多嚴(yán)格的 SiC 市場(chǎng)，例如汽車、航空航天和國(guó)防。

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)隨著時(shí)間的推移以及在該設(shè)計(jì)的不同代中不斷改進(jìn)。碳化硅應(yīng)用也不例外。早期設(shè)計(jì)可能在非常標(biāo)準(zhǔn)的通孔或表面貼裝封裝選項(xiàng)中使用廣泛可用的標(biāo)準(zhǔn)分立電源產(chǎn)品。隨著應(yīng)用數(shù)量的增加以及設(shè)計(jì)人員專注于減小尺寸、重量和成本，他們通常會(huì)將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到集成電源模塊或可能選擇三方合作伙伴關(guān)系。這些三方合作伙伴包括最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、模塊制造商和 SiC 芯片供應(yīng)商。每一個(gè)都在實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

在快速增長(zhǎng)的 SiC 市場(chǎng)中，供應(yīng)鏈問(wèn)題是一個(gè)關(guān)鍵且合理的問(wèn)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(shè)備，而這在開(kāi)發(fā)硅基電源產(chǎn)品和 IC 時(shí)是不需要的。設(shè)計(jì)人員必須確保 SiC 供應(yīng)商擁有強(qiáng)大的供應(yīng)鏈模型，包括多個(gè)制造地點(diǎn)，以防發(fā)生自然災(zāi)害或重大良率問(wèn)題，以確保供應(yīng)始終能夠滿足需求。許多組件供應(yīng)商也會(huì)報(bào)廢 (EOL) 老一代設(shè)備，迫使設(shè)計(jì)人員將時(shí)間和資源花在重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有應(yīng)用程序上，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新創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)支持也很重要，包括有助于縮短開(kāi)發(fā)周期的仿真工具和參考設(shè)計(jì)。借助解決 SiC 器件控制和驅(qū)動(dòng)的解決方案，開(kāi)發(fā)人員可以探索增強(qiáng)切換等新功能，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)方法的全部?jī)r(jià)值。圖 2 顯示了基于 SIC 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，帶有集成的數(shù)字可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器，可進(jìn)一步加快生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)創(chuàng)建優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法。

圖 2：模塊適配器板與柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)核相結(jié)合，提供了一個(gè)平臺(tái)，可通過(guò)增強(qiáng)開(kāi)關(guān)快速評(píng)估和優(yōu)化新的 SiC 功率器件。

設(shè)計(jì)優(yōu)化的新選項(xiàng)

數(shù)字可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)選項(xiàng)通過(guò)增強(qiáng)開(kāi)關(guān)最大限度地提高 SiC 的優(yōu)勢(shì)。它們?cè)试S輕松配置 SiC MOSFET 開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)間和電壓電平，因此設(shè)計(jì)人員可以加快開(kāi)關(guān)速度并提高系統(tǒng)效率，同時(shí)降低與柵極驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)相關(guān)的時(shí)間和復(fù)雜性。開(kāi)發(fā)人員無(wú)需手動(dòng)更改 PCB，而是可以使用配置軟件通過(guò)按鍵優(yōu)化其基于 SiC 的設(shè)計(jì)，使其面向未來(lái)，同時(shí)加快上市時(shí)間并提高效率和故障保護(hù)。

圖 3：使用數(shù)字可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器實(shí)施最新的增強(qiáng)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(yīng)速度、幫助管理電壓過(guò)沖問(wèn)題并最大限度地減少過(guò)熱。

隨著碳化硅在更廣泛的應(yīng)用中采用的增長(zhǎng)，早期的 SiC 用戶已經(jīng)在汽車、工業(yè)、航空航天和國(guó)防領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了優(yōu)勢(shì)。成功將繼續(xù)依賴于驗(yàn)證 SiC 器件可靠性和堅(jiān)固性的能力。隨著開(kāi)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(yīng)鏈和所有必要的設(shè)計(jì)模擬和開(kāi)發(fā)工具支持的綜合產(chǎn)品組合。通過(guò)數(shù)字可編程門驅(qū)動(dòng)支持的軟件可配置設(shè)計(jì)優(yōu)化的新功能，他們還將有新的機(jī)會(huì)進(jìn)行面向未來(lái)的投資。

審核編輯 黃昊宇