甚至懷疑它的人也改變了主意，因為他們驚嘆于它的能力、性能和強度。碳化硅 (SiC)，這種化合物一直令半導(dǎo)體設(shè)計師著迷。隨著對其技術(shù)的需求不斷增長，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 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，并且他們必須了解如何優(yōu)化將這些顛覆性 SiC 功率組件集成到他們的終端系統(tǒng)中。

越來越多的采用

SiC 技術(shù)正處于陡峭的向上采用曲線上。產(chǎn)品可用性隨著來自多個組件供應(yīng)商的選擇范圍的增加而增加。該市場在過去三年中翻了一番，預(yù)計在未來十 (10) 年內(nèi)價值將增長 20 倍，達到 100 億美元以上。采用范圍正在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 EV 充電基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)的非汽車電源和電機控制系統(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，以滿足這些行業(yè)對組件耐用性的嚴格要求。

SiC 開發(fā)計劃的主要部分之一是驗證 SiC 器件的可靠性和耐用性，因為這在供應(yīng)商之間存在很大差異。隨著整體系統(tǒng)關(guān)注度的增長趨勢，設(shè)計人員還需要評估供應(yīng)商的產(chǎn)品范圍。設(shè)計師與供應(yīng)商合作非常重要，這些供應(yīng)商提供靈活的解決方案，例如由全球分銷和支持以及綜合設(shè)計仿真和開發(fā)工具支持的芯片、分立和模塊選項。尋求面向未來的設(shè)計的開發(fā)人員還需要探索最新的功能，例如數(shù)字可編程柵極驅(qū)動器，這些功能可以解決早期的實施問題，同時通過按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)性能“調(diào)整”。

第一步：三個測試

三個測試提供了評估 SiC 器件可靠性的數(shù)據(jù)：雪崩能力、承受短路的能力和 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，最終導(dǎo)致設(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。評價最高的選項展示了高達 25 焦耳每平方厘米 (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)備的參數(shù)也幾乎沒有下降。

第二個關(guān)鍵測試是短路耐受時間 (SCWT)，即在軌到軌短路條件下器件失效前的最長時間。結(jié)果應(yīng)該接近功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用中使用的 IGBT，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)的情況下服務(wù)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、加工和材料，該二極管的導(dǎo)電性可能會在運行期間降低，從而導(dǎo)致導(dǎo)通狀態(tài)漏源電阻 (RDSon) 增加。圖 1 闡明了存在的差異。俄亥俄州立大學(xué)進行的一項研究評估了來自三個供應(yīng)商的 MOSFET。在結(jié)果的一端，供應(yīng)商 B 的所有器件都顯示正向電流下降，而另一方面，供應(yīng)商 C 的 MOSFET 未觀察到下降。

圖 1. 點擊圖片放大。SiC MOSFET 的正向特性，顯示供應(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、可靠的供應(yīng)鏈和設(shè)計支持。

供應(yīng)、支持和系統(tǒng)級設(shè)計

隨著越來越多的 SiC 供應(yīng)商，今天的 SiC 公司可以在設(shè)備選項方面有所不同——除了為支持和供應(yīng)許多嚴格的 SiC 市場（如汽車、航空航天和國防）提供的經(jīng)驗和基礎(chǔ)設(shè)施外。

電力系統(tǒng)設(shè)計會隨著時間的推移和該設(shè)計的不同代而不斷改進。這同樣適用于 SiC 應(yīng)用。早期的設(shè)計可以在非常標(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)量的增長以及設(shè)計人員專注于減小尺寸、重量和成本，他們通常將設(shè)計轉(zhuǎn)移到集成電源模塊，或者可能會選擇三方合作伙伴關(guān)系。這三方合作伙伴包括終端產(chǎn)品設(shè)計團隊、模塊制造商和 SiC 芯片供應(yīng)商。每個都在實現(xiàn)整體設(shè)計目標(biāo)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

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。

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 芯片制造流程中成本最高的材料。此外，SiC 制造需要高溫制造設(shè)備，而開發(fā)硅基功率產(chǎn)品和 IC 則不需要這些設(shè)備。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，以防自然災(zāi)害或重大產(chǎn)量問題，以確保供應(yīng)始終能夠滿足需求。許多組件供應(yīng)商還淘汰了老一代設(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)人員可以探索增強開關(guān)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，其集成了數(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)造新的優(yōu)化設(shè)計方法。

設(shè)計優(yōu)化的新選擇

數(shù)字可編程柵極驅(qū)動選項通過增強開關(guān)最大限度地發(fā)揮 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)、幫助管理電壓過沖問題并最大限度地減少過熱。

早期的 SiC 采用者已經(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。這種經(jīng)驗已經(jīng)在更廣泛的應(yīng)用中得到采用。成功將繼續(xù)依賴于驗證 SiC 器件可靠性和耐用性的能力。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)工具支持的全面產(chǎn)品組合。通過數(shù)字可編程柵極驅(qū)動實現(xiàn)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。

— Orlando Esparza，Microchip 戰(zhàn)略營銷經(jīng)理

審核編輯 黃昊宇