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Bench Talk for Design Engineers

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聚焦器件可靠性、栅极驱动器创新和总体系统解决方案 碳化硅应用进入新阶段 Orlando Esparza

 

(图源:sdecoret/Shutterstock.com)

碳化硅 (SiC) 技术能在大幅提高当前电力系统效率的同时降低其尺寸、重量和成本,因此市场需求不断攀升。但是SiC 解决方案并不是硅基解决方案的直接替代品,它们并非完全相同。为了实现SiC 技术的愿景,开发人员必须从产品质量、供货情况和服务支持等各个方面仔细评估多家产品和供应商,并了解如何优化不同SiC 功率组件到其最终系统的集成。

不断扩展的应用范围

SiC 技术的使用量正在急剧上升。随着供应商的不断增加,产品的选择范围也日益丰富。碳化硅市场在过去三年中翻了一番,预计在未来10 年内将增长20 倍,市值超过100 亿美元。碳化硅的应用范围正在从混合动力汽车和电动汽车 (H/EV) 的车载应用扩展到火车、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。航空航天和国防领域的供应商也在不断提升SiC 的质量和可靠性,以满足这些行业对产品稳固性的严格要求。

碳化硅开发计划的一个关键部分是验证SiC 器件的可靠性和稳固性,因为不同供应商的产品差异很大。随着大家越来越看重整体系统,设计师还需要评估供应商的产品供应范围。重要的是,设计师合作的供应商要提供裸片、分立式组件和模块选项等灵活解决方案,并提供全球分销、支持以及综合性设计模拟与开发工具。希望其设计能满足未来需求的开发人员还需要探索新功能,如数字可编程栅极驱动器。这些驱动器可以解决早期的实现问题,同时支持系统性能一键“调优”。

第一步:三项关键测试

这三项测试提供数据来评估SiC 器件的可靠性(抗雪崩能力、短路承受能力)以及SiC MOSFET 体二极管的可靠性。

足够的抗雪崩能力至关重要,因为即便是无源器件的轻微故障也可能导致瞬态电压峰值超过额定击穿电压,从而最终导致设备或整个系统发生故障。具有足够抗雪崩能力的SiC MOSFET 减少了对缓冲电路的需求,可延长应用寿命。顶级产品可以提供高达25 焦耳/平方厘米 (J/cm2) 的UIS 性能。即使经过100,000 次重复的UIS (RUIS) 测试,这些器件的参数退化也很小。

第二项关键测试是短路耐受时间 (SCWT),或者说轨到轨短路条件下设备发生故障前的最长耐受时间。测试结果应接近功率转换应用中使用的IGBT,其中大多数拥有5 到10 微秒 (us) SCWT。足够长的SCWT 能使系统有机会在不损坏系统的情况下解决故障问题。

第三个关键指标是SiC MOSFET 本征体二极管的正向电压稳定性。不同供应商之间该指标差异很大。如果没有适当的器件设计、加工和材料,该二极管的导电性在运行期间可能会降低,从而使导通状态漏源电阻 (RDSon) 增加。图1显示了这种差异。在俄亥俄州立大学进行的一项研究中,对三家供应商的MOSFET 进行了评估。一方面,供应商B 的所有器件在正向电流方面都出现了衰退,而另一方面,供应商C 的MOSFET 中未观察到衰退现象。

图1:SiC MOSFET 的正向特性,显示了不同供应商的体二极管在衰退方面的差异。 (图源:俄亥俄州立大学的Anant Agarwal 博士和Min Seok Kang 博士。)

在器件可靠性得到验证后,下一步就是评估这些器件的生态系统,包括产品选择的丰富度、可靠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不同外,还可以提供不同的器件选择,以支持和供应众多要求严格的SiC 市场,如汽车、航空航天和国防。

随着时间的推移,电力系统的设计会在不同世代经历持续的改进。SiC 应用也不例外。早期的设计可能对市面上各种常见的标准分立式电源产品都使用非常标准的通孔或表面贴装封装选项。随着应用数量的增加,设计师们开始关注如何缩小尺寸,降低重量和成本,因此通常会将目光转移到集成电源模块上,或者选择第三方合作伙伴。这些第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,他们在实现总体设计目标中都起着非常关键的作用。

在快速增长的SiC 市场上,供应链问题是一个不容忽视的关键问题。SiC 基底材料是SiC 芯片制造流程中最昂贵的材料。此外,SiC 制造需要高温制造设备,而制造硅基功率产品和IC 则不需要。设计师必须确保SiC 供应商拥有稳定的供应链模式,包括有多个分布在不同地点的制造工厂,以确保在发生自然灾害或重大生产问题时供应始终能够满足需求。有许多组件供应商还会停产 (EOL) 前代器件,迫使设计师花费时间和资源重新设计现有应用,而不是开发有助于降低最终产品成本和增加收入的创新设计。

设计支持也很重要,包括有助于缩短开发周期的模拟工具和参考设计。借助用来解决SiC 器件的控制和驱动问题的解决方案,开发人员可以探索诸如增强型开关 (Augmented Switching) 等新功能,以实现整体系统方法的全部价值。图2显示了基于SiC 的系统设计,它集成了数字可编程栅极驱动器,可进一步加快生产速度,同时创造了优化设计的新方法。

图2:模块转接板与栅极驱动器核心相结合提供了一个平台,通过增强型开关快速评估和优化新的SiC功率器件。

优化设计的新选项

数字可编程栅极驱动器可通过增强型开关最大限度地发挥SiC 的优势。通过它们可以轻松配置SiC MOSFET 的开启/关闭时间和电压水平,因此设计师可以提升开关速度和系统效率,同时缩短栅极驱动器开发所需的时间并降低复杂性。开发人员不必手动更改PCB,而是可以使用配置软件一键优化基于SiC的设计,在加快产品上市速度的同时提高效率和故障保护。

Design Challenge Reason for Challenge How Augmented Switching Helped
False Alarms: short circuit, under voltage Noise Robust detection and protection circuitry
Short circuit response too slow Short Circuit Response Fast, accurate digital solution
Unmanageable voltage overshoot Overvoltage Previse software configurable “tuning”
Insufficient module performance data Limited existing driver fault feedback Provided 7 specific fault codes, including temperature and voltage monitoring

表1:使用数字可编程栅极驱动器实现全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,并尽量减少过热情况。

随着SiC 应用范围的扩大,早期SiC 采用者已经在汽车、工业、航空航天和国防领域占据了优势。未来的成功将继续依赖于验证SiC 器件可靠性和稳固性的能力。随着开发人员开始采用总体解决方案策略,他们将需要获得综合型资源组合,由完整可靠的全球供应链和所有必要的设计模拟与开发工具提供支持。借助数字可编程栅极驱动器所支持的软件可配置设计优化新功能,他们还将有新的机会进行经得起未来考验的投资。

 




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Orlando Esparza,Microchip战略营销经理


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