【導讀】碳化硅（SiC）技術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技術的愿景，開發(fā)人員必須從產品質量、供貨情況和服務支持等各個方面仔細評估多家產品和供應商，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技術的使用量正在急劇上升。隨著供應商的不斷增加，產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的質量和可靠性，以滿足這些行業(yè)對產品穩(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)字可編程柵極驅動器。這些驅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“調優(yōu)”。
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。頂級產品可以提供高達25焦耳/平方厘米（J/cm2）的UIS性能。即使經過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)生故障前的極長耐受時間。測試結果應接近功率轉換應用中使用的IGBT，其中大多數(shù)擁有5到10微秒（μs）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（RDS(on)）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芯片制造流程中極昂貴的材料。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（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)字可編程柵極驅動器，可進一步加快生產速度，同時創(chuàng)造了優(yōu)化設計的新方法。
圖2：模塊轉接板與柵極驅動器核心相結合提供了一個平臺，通過增強型開關快速評估和優(yōu)化新的SiC功率器件。（圖源：Microchip）
優(yōu)化設計的新選項
數(shù)字可編程柵極驅動器可通過增強型開關極大限度地發(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)字可編程柵極驅動器實現(xiàn)全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得起未來考驗的投資。
來源：Mouser
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