碳化硅 (SiC) 技術(shù)能在大幅提高當前電力系統(tǒng)效率的同時降低其尺寸、重量和成本，因此市場需求不斷攀升。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。為了實現(xiàn)SiC 技術(shù)的愿景，開發(fā)人員必須從產(chǎn)品質(zhì)量、供貨情況和服務支持等各個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(tǒng)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。碳化硅市場在過去三年中翻了一番，預計在未來10 年內(nèi)將增長20 倍，市值超過100 億美元。碳化硅的應用范圍正在從混合動力汽車和電動汽車 (H/EV) 的車載應用擴展到火車、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)。航空航天和國防領域的供應商也在不斷提升SiC 的質(zhì)量和可靠性，以滿足這些行業(yè)對產(chǎn)品穩(wěn)固性的嚴格要求。

碳化硅開發(fā)計劃的一個關鍵部分是驗證SiC 器件的可靠性和穩(wěn)固性，因為不同供應商的產(chǎn)品差異很大。隨著大家越來越看重整體系統(tǒng)，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、支持以及綜合性設計模擬與開發(fā)工具。希望其設計能滿足未來需求的開發(fā)人員還需要探索新功能，如數(shù)字可編程柵極驅(qū)動器。這些驅(qū)動器可以解決早期的實現(xiàn)問題，同時支持系統(tǒng)性能一鍵“調(diào)優(yōu)”。

第一步：三項關鍵測試

這三項測試提供數(shù)據(jù)來評估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重要，因為即便是無源器件的輕微故障也可能導致瞬態(tài)電壓峰值超過額定擊穿電壓，從而最終導致設備或整個系統(tǒng)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100,000 次重復的UIS (RUIS) 測試，這些器件的參數(shù)退化也很小。

第二項關鍵測試是短路耐受時間 (SCWT)，或者說軌到軌短路條件下設備發(fā)生故障前的最長耐受時間。測試結(jié)果應接近功率轉(zhuǎn)換應用中使用的IGBT，其中大多數(shù)擁有5 到10 微秒 (us) SCWT。足夠長的SCWT 能使系統(tǒng)有機會在不損壞系統(tǒng)的情況下解決故障問題。

第三個關鍵指標是SiC MOSFET 本征體二極管的正向電壓穩(wěn)定性。不同供應商之間該指標差異很大。如果沒有適當?shù)钠骷O計、加工和材料，該二極管的導電性在運行期間可能會降低，從而使導通狀態(tài)漏源電阻 (RDSon) 增加。圖1顯示了這種差異。在俄亥俄州立大學進行的一項研究中，對三家供應商的MOSFET 進行了評估。一方面，供應商B 的所有器件在正向電流方面都出現(xiàn)了衰退，而另一方面，供應商C 的MOSFET 中未觀察到衰退現(xiàn)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(tǒng)，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(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，如汽車、航空航天和國防。

隨著時間的推移，電力系統(tǒng)的設計會在不同世代經(jīng)歷持續(xù)的改進。SiC 應用也不例外。早期的設計可能對市面上各種常見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。隨著應用數(shù)量的增加，設計師們開始關注如何縮小尺寸，降低重量和成本，因此通常會將目光轉(zhuǎn)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，他們在實現(xiàn)總體設計目標中都起著非常關鍵的作用。

在快速增長的SiC 市場上，供應鏈問題是一個不容忽視的關鍵問題。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(wěn)定的供應鏈模式，包括有多個分布在不同地點的制造工廠，以確保在發(fā)生自然災害或重大生產(chǎn)問題時供應始終能夠滿足需求。有許多組件供應商還會停產(chǎn) (EOL) 前代器件，迫使設計師花費時間和資源重新設計現(xiàn)有應用，而不是開發(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，包括有助于縮短開發(fā)周期的模擬工具和參考設計。借助用來解決SiC 器件的控制和驅(qū)動問題的解決方案，開發(fā)人員可以探索諸如增強型開關 (Augmented Switching) 等新功能，以實現(xiàn)整體系統(tǒng)方法的全部價值。圖2顯示了基于SiC 的系統(tǒng)設計，它集成了數(shù)字可編程柵極驅(qū)動器，可進一步加快生產(chǎn)速度，同時創(chuàng)造了優(yōu)化設計的新方法。

優(yōu)化設計的新選項

數(shù)字可編程柵極驅(qū)動器可通過增強型開關最大限度地發(fā)揮SiC 的優(yōu)勢。通過它們可以輕松配置SiC MOSFET 的開啟/關閉時間和電壓水平，因此設計師可以提升開關速度和系統(tǒng)效率，同時縮短柵極驅(qū)動器開發(fā)所需的時間并降低復雜性。開發(fā)人員不必手動更改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)品上市速度的同時提高效率和故障保護。

表1：使用數(shù)字可編程柵極驅(qū)動器實現(xiàn)全新的增強型開關技術(shù)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，并盡量減少過熱情況。

隨著SiC 應用范圍的擴大，早期SiC 采用者已經(jīng)在汽車、工業(yè)、航空航天和國防領域占據(jù)了優(yōu)勢。未來的成功將繼續(xù)依賴于驗證SiC 器件可靠性和穩(wěn)固性的能力。隨著開發(fā)人員開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發(fā)工具提供支持。借助數(shù)字可編程柵極驅(qū)動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進行經(jīng)得起未來考驗的投資。

審核編輯：郭婷