可靠性、创新、整体解决方案……碳化硅的新高度

对碳化硅 (SiC) 技术的需求持续增长，该技术可最大限度地提高当今电力系统的效率，同时减小其尺寸、重量和成本。但是 SiC 解决方案并不是硅的直接替代品，而且它们的创建方式也不尽相同。为了实现 SiC 技术的承诺，开发人员必须根据质量、供应和支持仔细评估产品和供应商选项，并了解如何优化这些颠覆性 SiC 功率组件与其终端系统的集成。

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越来越多的采用

碳化硅技术正处于急剧上升的采用曲线上。随着多个组件供应商的选择范围不断扩大，产品可用性也有所增加。市场在过去三年中翻了一番，预计在未来十 (10) 年内将增长 20 倍，价值超过 100 亿美元。采用范围从车载混合动力和电动汽车 (H/EV) 应用扩展到火车、重型车辆、工业设备和电动汽车充电基础设施中的非汽车动力和电机控制系统。航空航天和国防供应商也在推动 SiC 的质量和可靠性，以满足这些部门对组件坚固性的严格要求。

SiC 开发计划的一个关键部分是验证 SiC 器件的可靠性和坚固性，因为这在供应商之间存在很大差异。随着对整个系统的关注日益增加，设计人员还需要评估供应商提供的产品范围。重要的是，设计师与供应商合作提供灵活的解决方案，例如由全球分销、支持和综合设计模拟和开发工具支持的芯片、分立和模块选项。希望设计面向未来的开发人员还需要探索最新功能，例如解决早期实施问题的数字可编程栅极驱动器，同时通过按键实现系统性能“调整”。

第一步：三个关键测试

三项测试提供了评估 SiC 器件可靠性的数据：雪崩能力；承受短路的能力；以及 SiC MOSFET 体二极管的可靠性。

足够的雪崩能力至关重要：即使是无源器件的轻微故障也可能导致超过额定击穿电压的瞬态电压尖峰，最终使设备或整个系统失效。具有足够雪崩能力的 SiC MOSFET 减少了对缓冲电路的需求并延长了应用寿命。评分最高的选项展示了高达每平方厘米 25 焦耳 (J/cm2) 的高 UIS 能力。即使经过 100,000 次重复 UIS (RUIS) 测试，这些设备也几乎没有出现参数退化。

第二个关键测试是短路耐受时间 (SCWT)，即轨到轨短路条件下器件发生故障前的最长时间。结果应该与功率转换应用中使用的 IGBT 接近，其中大多数具有 5 到 10 微秒 (us) 的 SCWT。确保足够的 SCWT 使系统有机会在不损坏系统的情况下处理故障条件。

第三个关键指标是 SiC MOSFET 的本征体二极管的正向电压稳定性。这可能因供应商而异。如果没有适当的器件设计、处理和材料，该二极管的导电性可能会在操作期间降低，从而导致导通状态漏源电阻 (R DSon ) 增加。图 1 阐明了存在的差异。在俄亥俄州立大学进行的一项研究中，对来自三个供应商的 MOSFET 进行了评估。在结果的一端，供应商 B 的所有器件的正向电流均出现退化，而另一方面，供应商 C 的 MOSFET 未观察到退化。

图 1：碳化硅 MOSFET 的正向特性，显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。

一旦设备可靠性得到验证，下一步就是评估围绕这些设备的生态系统，包括产品选择的广度、稳固的供应链和设计支持。

供应、支持和系统级设计

在越来越多的 SiC 供应商中，今天的 SiC 公司除了经验和基础设施之外，还可以在设备选择方面有所不同，以支持和供应许多严格的 SiC 市场，例如汽车、航空航天和国防。

电源系统设计会随着时间的推移以及在该设计的不同代中不断改进。碳化硅应用也不例外。早期设计可能在非常标准的通孔或表面贴装封装选项中使用广泛可用的标准分立电源产品。随着应用数量的增加以及设计人员专注于减小尺寸、重量和成本，他们通常会将设计转移到集成电源模块或可能选择三方合作伙伴关系。这些三方合作伙伴包括最终产品设计团队、模块制造商和 SiC 芯片供应商。每一个都在实现总体设计目标方面发挥着关键作用。

在快速增长的 SiC 市场中，供应链问题是一个关键且合理的问题。SiC 衬底材料是 SiC 芯片制造流程中最昂贵的材料。此外，碳化硅制造需要高温制造设备，而这在开发硅基电源产品和 IC 时是不需要的。设计人员必须确保 SiC 供应商拥有强大的供应链模型，包括多个制造地点，以防发生自然灾害或重大良率问题，以确保供应始终能够满足需求。许多组件供应商也会报废 (EOL) 老一代设备，迫使设计人员将时间和资源花在重新设计现有应用程序上，而不是开发有助于降低最终产品成本和增加收入的新创新设计。

设计支持也很重要，包括有助于缩短开发周期的仿真工具和参考设计。借助解决 SiC 器件控制和驱动的解决方案，开发人员可以探索增强切换等新功能，以实现整个系统方法的全部价值。图 2 显示了基于 SIC 的系统设计，带有集成的数字可编程栅极驱动器，可进一步加快生产时间，同时创建优化设计的新方法。

图 2：模块适配器板与栅极驱动器内核相结合，提供了一个平台，可通过增强开关快速评估和优化新的 SiC 功率器件。

设计优化的新选项

数字可编程栅极驱动选项通过增强开关最大限度地提高 SiC 的优势。它们允许轻松配置 SiC MOSFET 开启/关闭时间和电压电平，因此设计人员可以加快开关速度并提高系统效率，同时降低与栅极驱动器开发相关的时间和复杂性。开发人员无需手动更改 PCB，而是可以使用配置软件通过按键优化其基于 SiC 的设计，使其面向未来，同时加快上市时间并提高效率和故障保护。

图 3：使用数字可编程栅极驱动器实施最新的增强型开关技术有助于解决 SiC 噪声问题、加快短路响应速度、帮助管理电压过冲问题并最大限度地减少过热。

随着碳化硅在更广泛的应用中采用的增长，早期的 SiC 用户已经在汽车、工业、航空航天和国防领域实现了优势。成功将继续依赖于验证 SiC 器件可靠性和坚固性的能力。随着开发人员采用整体解决方案战略，他们将需要获得由完整可靠的全球供应链和所有必要的设计模拟和开发工具支持的综合产品组合。通过数字可编程门驱动支持的软件可配置设计优化的新功能，他们还将有新的机会进行面向未来的投资。

审核编辑 黄昊宇