碳化硅MOSFET的可靠有效控制

对基于碳化硅 (SiC) 的系统的需求持续快速增长，以最大限度地提高效率并减小尺寸和重量，从而使工程师能够创建创新的电源解决方案。利用 SiC 技术的应用范围从电动汽车和充电站到智能电网以及工业和航空电力系统。

新的数字可编程栅极驱动器解决方案进一步支持加速从设计到生产的过程。碳化硅的耐压性也很出色，在站立短路条件下不是很好。栅极驱动器旨在解决所有这些问题，包括系统噪声、短路、过压和过热。

碳化硅技术

SiC 技术现在被广泛认为是硅的可靠替代品。许多功率模块和功率逆变器制造商已经为未来产品的路线图奠定了基础。SiC 衬底的更高电场强度允许使用更薄的基础结构。

“在过去三年中，碳化硅功率半导体器件的增长翻了一番。市场上有很多人乐观地认为，它将在未来七到十年内达到 100 亿美元。我们看到了快速采用，并且我们正在全球范围内寻找大量机会。这些机会涵盖工业、汽车、医疗、航空航天和国防、牵引或火车等许多不同类型的应用，”Microchip Technology Inc. 战略营销经理奥兰多·埃斯帕扎 (Orlando Esparza) 说。

图 1：是什么推动了 SiC 在电力电子领域的采用？[来源：微芯片]

EV 和其他大功率开关应用使用碳化硅 (SiC) 电力电子技术实现最高效率。“碳化硅可满足需要 600 伏及以上系统电压的应用需求。我们看到 700 伏和 1200 伏设备在具有 400 伏或 800 伏总线的电动汽车应用或更高电压范围内的工业医疗设备方面有很多机会。由于硅与效率相关的局限性，许多系统设计人员现在正在寻求转向 GaN 或碳化硅，而且碳化硅允许他们的系统更小、重量更轻，并且整体系统成本实际上更低， ”奥兰多·埃斯帕扎说。

Microchip 的新型 700、1200 和 1700 V 电源模块可最大限度地提高开关效率、减少热量增益并减少系统占用空间。新解决方案包括具有商业资格的 700、1200 和 1700V 肖特基势垒二极管 (SBD)。新的电源模块系列包括各种拓扑结构，包括双二极管、全桥、相腿、双共阴极和三相桥，并提供多种电流和封装选项。在设计中添加 SiC SBD 模块可最大限度地提高开关效率，减少热增益，并允许更小的系统占用空间。高器件性能使系统设计人员能够利用二极管本体的稳定性而最大限度地减少对缓冲电路的需求，而不会出现长期退化。

图 2：MSCSICSP3/REF2 参考设计 [来源：Microchip]

Microchip 提供了多种参考设计来加速设计开发。MSCSICSP3/REF2 参考设计为 SiC SP3 相脚模块提供了一个高度隔离的 SiC MOSFET 双栅极驱动器示例。它可以通过开关进行配置，以半桥配置驱动，任何时候都只有一侧打开，并带有死区时间保护。低电感 SP6LI 驱动器参考设计实现了高达 400 kHz 开关频率的半桥驱动器。MSCSICPFC/REF5 是三相 Vienna PFC 参考设计，适用于 30 kW 应用的混合动力电动汽车/电动汽车 (HEV/EV) 充电器。

图 3：低电感 SP6LI 驱动器参考设计 [来源：Microchip]

图 4：MSCSICPFC/REF5 是 3 相 Vienna PFC 参考设计 [来源：Microchip]

Vienna 的 3 级 30 kW 功率因数校正 (PFC)、SiC 和 SP3/SP6LI 模块驱动参考项目/板，为系统开发人员提供有助于缩短开发周期时间的工具。功率因数校正 (PFC) 对于解决潜在损耗源至关重要，应相应实施。

数字栅极驱动器

AgileSwitch® 系列数字栅极驱动器解决方案可有效减少高达 50% 的 EMI 问题和开关损耗。数字解决方案旨在解决在高开关频率下运行 SiC 和 IGBT 功率器件时出现的关键挑战。它们可以切换至 200 kHz 并提供多达七种不同的故障和监控条件。

“我们的栅极驱动器旨在解决所有这些问题，例如系统中的噪声、短路过热和过压。Microchip Technology Inc. 的 AgileSwitch 产品线总监 Rob Weber 说：“我们针对在您尝试驱动碳化硅时出现的这些关键问题提供了许多功能。

图 5：数字栅极驱动优于模拟驱动 [来源：Microchip]

这些驱动器采用 Augmented Switching™ 技术和强大的短路保护功能，并且可以通过软件进行完全配置。它们针对运输和工业应用进行了优化，包括逆变器和感应加热。

“我们这样做的方法是通过我们开发并获得专利的技术，称为增强切换。您可以在图 6 的右侧看到打开和关闭开关的程式化波形。我们所做的是分步打开和关闭开关，在不同的电压电平下修改电压和时间，以便打开和关闭，”Rob Weber 说。

Microchip 提供了大量开发套件，用于使用数字栅极驱动器进行高效开发。62 毫米电气主即插即用 SiC 栅极驱动器针对牵引、重型车辆和感应加热应用进行了优化。ASDAK 包括快速优化 SiC 模块和系统性能所需的硬件和软件元素。该工具使系统设计人员能够灵活地使用智能配置工具 (ICT) 通过软件更新来调整系统性能。ICT 提供了多种驱动参数的配置，包括开/关栅极电压、直流链路和温度故障水平，以及增加的开关配置文件。

通过减少正常运行和短路 (DSAT) 条件下的关断尖峰和振铃，SiC MOSFET 模块可以在更高的频率下安全运行，从而显着提高功率转换密度。这允许 SiC MOSFET 模块更接近其额定规格运行，从而改善尺寸、成本和性能。

审核编辑：汤梓红