碳化硅 (SiC) 技術(shù)能在大幅提高當(dāng)前電力系統(tǒng)效率的同時(shí)降低其尺寸、重量和成本，因此市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)SiC 技術(shù)的愿景，開(kāi)發(fā)人員必須從產(chǎn)品質(zhì)量、供貨情況和服務(wù)支持等各個(gè)方面仔細(xì)評(píng)估多家產(chǎn)品和供應(yīng)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(kuò)展的應(yīng)用范圍

SiC 技術(shù)的使用量正在急劇上升。隨著供應(yīng)商的不斷增加，產(chǎn)品的選擇范圍也日益豐富。碳化硅市場(chǎng)在過(guò)去三年中翻了一番，預(yù)計(jì)在未來(lái)10 年內(nèi)將增長(zhǎng)20 倍，市值超過(guò)100 億美元。碳化硅的應(yīng)用范圍正在從混合動(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē) (H/EV) 的車(chē)載應(yīng)用擴(kuò)展到火車(chē)、重型車(chē)輛、工業(yè)設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施中的非汽車(chē)動(dòng)力和電機(jī)控制系統(tǒng)。航空航天和國(guó)防領(lǐng)域的供應(yīng)商也在不斷提升SiC 的質(zhì)量和可靠性，以滿(mǎn)足這些行業(yè)對(duì)產(chǎn)品穩(wěn)固性的嚴(yán)格要求。

碳化硅開(kāi)發(fā)計(jì)劃的一個(gè)關(guān)鍵部分是驗(yàn)證SiC 器件的可靠性和穩(wěn)固性，因?yàn)椴煌?yīng)商的產(chǎn)品差異很大。隨著大家越來(lái)越看重整體系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師還需要評(píng)估供應(yīng)商的產(chǎn)品供應(yīng)范圍。重要的是，設(shè)計(jì)師合作的供應(yīng)商要提供裸片、分立式組件和模塊選項(xiàng)等靈活解決方案，并提供全球分銷(xiāo)、支持以及綜合性設(shè)計(jì)模擬與開(kāi)發(fā)工具。希望其設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足未來(lái)需求的開(kāi)發(fā)人員還需要探索新功能，如數(shù)字可編程柵極驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)器可以解決早期的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，同時(shí)支持系統(tǒng)性能一鍵“調(diào)優(yōu)”。

第一步：三項(xiàng)關(guān)鍵測(cè)試

這三項(xiàng)測(cè)試提供數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)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(guān)重要，因?yàn)榧幢闶菬o(wú)源器件的輕微故障也可能導(dǎo)致瞬態(tài)電壓峰值超過(guò)額定擊穿電壓，從而最終導(dǎo)致設(shè)備或整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障。具有足夠抗雪崩能力的SiC MOSFET 減少了對(duì)緩沖電路的需求，可延長(zhǎng)應(yīng)用壽命。頂級(jí)產(chǎn)品可以提供高達(dá)25 焦耳/平方厘米 (J/cm2) 的UIS 性能。即使經(jīng)過(guò)100,000 次重復(fù)的UIS (RUIS) 測(cè)試，這些器件的參數(shù)退化也很小。

第二項(xiàng)關(guān)鍵測(cè)試是短路耐受時(shí)間 (SCWT)，或者說(shuō)軌到軌短路條件下設(shè)備發(fā)生故障前的最長(zhǎng)耐受時(shí)間。測(cè)試結(jié)果應(yīng)接近功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中使用的IGBT，其中大多數(shù)擁有5 到10 微秒 (us) SCWT。足夠長(zhǎng)的SCWT 能使系統(tǒng)有機(jī)會(huì)在不損壞系統(tǒng)的情況下解決故障問(wèn)題。

第三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是SiC MOSFET 本征體二極管的正向電壓穩(wěn)定性。不同供應(yīng)商之間該指標(biāo)差異很大。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)钠骷O(shè)計(jì)、加工和材料，該二極管的導(dǎo)電性在運(yùn)行期間可能會(huì)降低，從而使導(dǎo)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(xué)進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，對(duì)三家供應(yīng)商的MOSFET 進(jìn)行了評(píng)估。一方面，供應(yīng)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(yīng)商C 的MOSFET 中未觀(guān)察到衰退現(xiàn)象。

圖1：SiC MOSFET 的正向特性，顯示了不同供應(yīng)商的體二極管在衰退方面的差異。 (圖源：俄亥俄州立大學(xué)的Anant Agarwal 博士和Min Seok Kang 博士。)

在器件可靠性得到驗(yàn)證后，下一步就是評(píng)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(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)施不同外，還可以提供不同的器件選擇，以支持和供應(yīng)眾多要求嚴(yán)格的SiC 市場(chǎng)，如汽車(chē)、航空航天和國(guó)防。

隨著時(shí)間的推移，電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)會(huì)在不同世代經(jīng)歷持續(xù)的改進(jìn)。SiC 應(yīng)用也不例外。早期的設(shè)計(jì)可能對(duì)市面上各種常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)分立式電源產(chǎn)品都使用非常標(biāo)準(zhǔn)的通孔或表面貼裝封裝選項(xiàng)。隨著應(yīng)用數(shù)量的增加，設(shè)計(jì)師們開(kāi)始關(guān)注如何縮小尺寸，降低重量和成本，因此通常會(huì)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(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、模塊制造商和SiC 芯片供應(yīng)商，他們?cè)趯?shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)中都起著非常關(guān)鍵的作用。

在快速增長(zhǎng)的SiC 市場(chǎng)上，供應(yīng)鏈問(wèn)題是一個(gè)不容忽視的關(guān)鍵問(wèn)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(shè)備，而制造硅基功率產(chǎn)品和IC 則不需要。設(shè)計(jì)師必須確保SiC 供應(yīng)商擁有穩(wěn)定的供應(yīng)鏈模式，包括有多個(gè)分布在不同地點(diǎn)的制造工廠(chǎng)，以確保在發(fā)生自然災(zāi)害或重大生產(chǎn)問(wèn)題時(shí)供應(yīng)始終能夠滿(mǎn)足需求。有許多組件供應(yīng)商還會(huì)停產(chǎn) (EOL) 前代器件，迫使設(shè)計(jì)師花費(fèi)時(shí)間和資源重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有應(yīng)用，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)周期的模擬工具和參考設(shè)計(jì)。借助用來(lái)解決SiC 器件的控制和驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的解決方案，開(kāi)發(fā)人員可以探索諸如增強(qiáng)型開(kāi)關(guān) (Augmented Switching) 等新功能，以實(shí)現(xiàn)整體系統(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)，它集成了數(shù)字可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器，可進(jìn)一步加快生產(chǎn)速度，同時(shí)創(chuàng)造了優(yōu)化設(shè)計(jì)的新方法。

圖2：模塊轉(zhuǎn)接板與柵極驅(qū)動(dòng)器核心相結(jié)合提供了一個(gè)平臺(tái)，通過(guò)增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)快速評(píng)估和優(yōu)化新的SiC功率器件。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的新選項(xiàng)

數(shù)字可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)最大限度地發(fā)揮SiC 的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)它們可以輕松配置SiC MOSFET 的開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)間和電壓水平，因此設(shè)計(jì)師可以提升開(kāi)關(guān)速度和系統(tǒng)效率，同時(shí)縮短?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器開(kāi)發(fā)所需的時(shí)間并降低復(fù)雜性。開(kāi)發(fā)人員不必手動(dòng)更改PCB，而是可以使用配置軟件一鍵優(yōu)化基于SiC的設(shè)計(jì)，在加快產(chǎn)品上市速度的同時(shí)提高效率和故障保護(hù)。

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表1：使用數(shù)字可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)全新的增強(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，并盡量減少過(guò)熱情況。

隨著SiC 應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，早期SiC 采用者已經(jīng)在汽車(chē)、工業(yè)、航空航天和國(guó)防領(lǐng)域占據(jù)了優(yōu)勢(shì)。未來(lái)的成功將繼續(xù)依賴(lài)于驗(yàn)證SiC 器件可靠性和穩(wěn)固性的能力。隨著開(kāi)發(fā)人員開(kāi)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(yīng)鏈和所有必要的設(shè)計(jì)模擬與開(kāi)發(fā)工具提供支持。借助數(shù)字可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器所支持的軟件可配置設(shè)計(jì)優(yōu)化新功能，他們還將有新的機(jī)會(huì)進(jìn)行經(jīng)得起未來(lái)考驗(yàn)的投資。