對碳化硅 (SiC) 技術(shù)的需求持續(xù)增長，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(shù)的承諾，開發(fā)人員必須根據(jù)質(zhì)量、供應(yīng)和支持仔細評估產(chǎn)品和供應(yīng)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(shù)正處于急劇上升的采用曲線上。隨著多個組件供應(yīng)商的選擇范圍不斷擴大，產(chǎn)品可用性也有所增加。市場在過去三年中翻了一番，預(yù)計在未來十 (10) 年內(nèi)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(yīng)用擴展到火車、重型車輛、工業(yè)設(shè)備和電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)商也在推動 SiC 的質(zhì)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(guān)鍵部分是驗證 SiC 器件的可靠性和堅固性，因為這在供應(yīng)商之間存在很大差異。隨著對整個系統(tǒng)的關(guān)注日益增加，設(shè)計人員還需要評估供應(yīng)商提供的產(chǎn)品范圍。重要的是，設(shè)計師與供應(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)計模擬和開發(fā)工具支持的芯片、分立和模塊選項。希望設(shè)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(qū)動器，同時通過按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)性能“調(diào)整”。

第一步：三個關(guān)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(guān)重要：即使是無源器件的輕微故障也可能導(dǎo)致超過額定擊穿電壓的瞬態(tài)電壓尖峰，最終使設(shè)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(yīng)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(fù) UIS (RUIS) 測試，這些設(shè)備也幾乎沒有出現(xiàn)參數(shù)退化。

第二個關(guān)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(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)有機會在不損壞系統(tǒng)的情況下處理故障條件。

第三個關(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。如果沒有適當(dāng)?shù)钠骷O(shè)計、處理和材料，該二極管的導(dǎo)電性可能會在操作期間降低，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)進行的一項研究中，對來自三個供應(yīng)商的 MOSFET 進行了評估。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)備可靠性得到驗證，下一步就是評估圍繞這些設(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)計支持。

供應(yīng)、支持和系統(tǒng)級設(shè)計

在越來越多的 SiC 供應(yīng)商中，今天的 SiC 公司除了經(jīng)驗和基礎(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)許多嚴格的 SiC 市場，例如汽車、航空航天和國防。

電源系統(tǒng)設(shè)計會隨著時間的推移以及在該設(shè)計的不同代中不斷改進。碳化硅應(yīng)用也不例外。早期設(shè)計可能在非常標(biāo)準(zhǔn)的通孔或表面貼裝封裝選項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)計人員專注于減小尺寸、重量和成本，他們通常會將設(shè)計轉(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)計團隊、模塊制造商和 SiC 芯片供應(yīng)商。每一個都在實現(xiàn)總體設(shè)計目標(biāo)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

在快速增長的 SiC 市場中，供應(yīng)鏈問題是一個關(guān)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(shè)備，而這在開發(fā)硅基電源產(chǎn)品和 IC 時是不需要的。設(shè)計人員必須確保 SiC 供應(yīng)商擁有強大的供應(yīng)鏈模型，包括多個制造地點，以防發(fā)生自然災(zāi)害或重大良率問題，以確保供應(yīng)始終能夠滿足需求。許多組件供應(yīng)商也會報廢 (EOL) 老一代設(shè)備，迫使設(shè)計人員將時間和資源花在重新設(shè)計現(xiàn)有應(yīng)用程序上，而不是開發(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。

設(shè)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(shè)計。借助解決 SiC 器件控制和驅(qū)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(shè)計，帶有集成的數(shù)字可編程柵極驅(qū)動器，可進一步加快生產(chǎn)時間，同時創(chuàng)建優(yōu)化設(shè)計的新方法。

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

設(shè)計優(yōu)化的新選項

數(shù)字可編程柵極驅(qū)動選項通過增強開關(guān)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(guān)閉時間和電壓電平，因此設(shè)計人員可以加快開關(guān)速度并提高系統(tǒng)效率，同時降低與柵極驅(qū)動器開發(fā)相關(guān)的時間和復(fù)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(shè)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(qū)動器實施最新的增強型開關(guān)技術(shù)有助于解決 SiC 噪聲問題、加快短路響應(yīng)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(yīng)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(lǐng)域?qū)崿F(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(yīng)鏈和所有必要的設(shè)計模擬和開發(fā)工具支持的綜合產(chǎn)品組合。通過數(shù)字可編程門驅(qū)動支持的軟件可配置設(shè)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