碳化硅的采用继续增强器件可靠性和栅极驱动创新
行家说消息
碳化硅 (SiC) 技术可帮助现代电力系统高效运行，同时最大限度地减少其尺寸、重量和成本。因此，开发人员越来越希望采用这项技术也就不足为奇了。值得注意的是，SiC 解决方案并不是硅的完全替代品，开发人员需要评估产品和供应商在质量、供应和支持方面的替代方案。此外，他们还必须学习如何将这些令人困扰的 SiC 功率元件集成到他们的终端系统中。
对 SiC 技术采用的高需求
随着 SiC 技术的日益普及，我们也看到了产品可用性的提高。该市场在过去三年中翻了一番，并有望增长至少 20 倍。未来十年，市场份额预计将达到 100 亿美元。采用正在超越车载混合动力和电动汽车 (H/EV) 应用，并在火车、重型汽车、工业设备和电动汽车 (EV) 充电基础设施中寻求非汽车电源和电机控制系统。航空航天和国防工业等某些行业对组件的耐用性有严格的要求，因此，供应商现在更加重视 SiC 的质量和可靠性。
然而，这些属性因供应商而异，评估 SiC 器件的可靠性和耐用性变得比以往任何时候都更加重要。此外，设计师必须审查供应商的产品，因为他们必须与能够提供灵活解决方案以满足更广泛需求的供应商合作。例如，他们可以查看由全球分销、支持和综合设计仿真和开发工具支持的芯片、离散和模块选项。为了能够提供面向未来的设计，开发人员应该寻找最新的资源，例如数字可编程栅极驱动器，这些资源可以帮助解决以前的实施问题，同时允许通过按键“调整”系统性能。
评估 SiC 器件的可靠性
该评估涉及三项测试，将深入了解器件的雪崩能力、抗短路能力以及 SiC MOSFET 体二极管的可靠性。
器件必须具备足够的雪崩能力，因为无源器件的轻微故障有可能触发超出可接受击穿电压限值的瞬态电压尖峰，从而导致器件或系统故障。因此，需要评估和检查 SiC MOSFET 是否具有足够的雪崩能力，以最大限度地减少对缓冲电路的依赖并确保更长的应用寿命。此类别中的顶级设备通常具有高达 25 焦耳每平方厘米 (J/cm2) 的高 UIS 能力。即使经过 100,000 次重复 UIS (RUIS) 测试，此类设备的参数性能也几乎没有下降。短路耐受时间 (SCWT) 测试可找出在轨到轨短路条件下设备故障前的最长时间。该测试的目标是获得接近功率转换应用中使用的 IGBT 的结果，后者通常具有 5-10 微秒 (us) 的 SCWT。具有足够 SCWT 的系统有机会在不损坏系统的情况下解决和修复故障情况。第三个关键测试是 SiC MOSFET 的本征体二极管的正向电压稳定性，尽管它可能因供应商而异。如果设备的设计、加工和材料有缺陷或不充分，则该二极管的导电性可能会受到影响，从而导致工作期间的损坏以及导通状态漏源电阻 (R DSon ) 的增加。
图 1 显示了 MOSFET 的差异。俄亥俄州立大学进行了一项研究，比较了来自三个不同供应商的 MOSFET 的退化水平。供应商 B 的所有器件均显示正向电流下降，而供应商 C 的 MOSFET 未见下降。
图 1：SiC MOSFET 的正向特性展示了供应商在体二极管退化方面的差异。资料来源：俄亥俄州立大学 Anant Agarwal 博士和 Min Seok Kang 博士。
一旦检查了设备的可靠性，开发人员就必须分析设备的生态系统并考虑各种检查点，例如产品供应范围、强大的供应链和设计支持。
评估 SiC 供应商之间的主要差异化因素
SiC供应商正在稳步增长。如前所述，区分这些供应商的关键参数是他们在系统级设计、支持和供应方面的能力。这些企业不仅将提供多种器件选择，而且在经验和基础设施能力方面也各不相同，以支持和供应汽车、航空航天和国防工业等具有严格标准的 SiC 市场。
对于电源系统设计，需要不断改进 SiC 应用并在各代设计中进行改进。在早期的设计中，设计人员可能已经应用了容易获得的标准分立电源产品，从标准通孔或表面贴装封装的可用选项中进行选择。然而，随着应用范围的扩大和应用数量的指数级增长，设计人员将需要通过减小尺寸、重量和成本来进行优化。他们可以选择过渡到集成电源模块或形成三方合作协议。这种合作关系涉及不同的各方，例如最终产品设计团队、模块制造商以及 SiC 芯片供应商。每一方都被认为是实现应用程序整体设计的重要角色。
在日益增长的 SiC 市场中，供应链问题是一个关键问题，因为 SiC 衬底材料是整个 SiC 芯片制造过程中最昂贵的项目。碳化硅制造还涉及硅基功率产品和集成电路开发不需要的高温制造设备。设计人员必须与具有强大供应链模型的 SiC 供应商合作，以覆盖各个制造地点，以避免与自然灾害或主要产量相关的问题。此外，许多组件供应商还淘汰了老一代设备，这促使设计人员利用时间和资源重新设计旧应用，而不是专注于以最小化成本和增加收入为目标的新设计。
设计支持同样重要，应包含各种工具，如仿真程序和参考设计，以进一步加快开发周期。设计人员现在可以选择提供增强开关等附加功能的控制和驱动解决方案。图 2 展示了基于 SIC 的系统设计，该系统设计具有集成的数字可编程栅极驱动器，可进一步加快生产时间，同时开发新的方法来增强设计。
图 2：模块适配器板和栅极驱动器内核的组合提供了一个平台，可通过增强开关有效评估和优化新的 SiC 功率器件。
设计优化
通过增强开关，数字可编程栅极驱动选项可最大限度地发挥 SiC 的优势。这些选项可以轻松配置 SiC MOSFET 开启/关闭时间和电压电平，设计人员可以加快开关速度并提高系统效率，同时减少与栅极驱动器开发相关的时间和难度。开发人员无需物理更改 PCB，而是可以使用配置软件通过按键优化其基于 SiC 的设计。因此，他们将能够使这些设计面向未来，同时加快上市时间并提高效率和故障保护。
图 3：该表说明了如何使用数字可编程栅极驱动器实现最新的增强型开关技术并提供各种优势，例如解决 SiC 噪声问题、加快短路响应、管理电压过冲问题以及减少过热。
随着在广泛应用中的采用持续增长，早期的 SiC 采用者正在了解与汽车、工业以及航空航天和国防相关的行业的好处。这里的潜在差异仍然取决于他们证明 SiC 器件的可靠性和耐用性的能力。最终，开发人员将需要更高的可见性和对全面产品的访问权，这些产品由强大可靠的全球供应链提供支持，并得到基本设计仿真和开发工具的支持。数字可编程栅极驱动将有助于实现软件可配置的设计优化，从而为开发人员创造机会，让他们的投资适应未来。
作者：Microchip分立与电源管理业务部高级产品营销经理 Orlando Esparza
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