【導(dǎo)讀】以碳化硅(SiC) 技術(shù)為動(dòng)力的下一代功率半導(dǎo)體將滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的純電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 市場(chǎng)和充電基礎(chǔ)設(shè)施的需求，以及對(duì)新能效標(biāo)準(zhǔn)、更高工業(yè)和可再生能源領(lǐng)域的功率密度和更小的系統(tǒng)尺寸。
以碳化硅(SiC) 技術(shù)為動(dòng)力的下一代功率半導(dǎo)體將滿(mǎn)足快速增長(zhǎng)的純電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 市場(chǎng)和充電基礎(chǔ)設(shè)施的需求，以及對(duì)新能效標(biāo)準(zhǔn)、更高工業(yè)和可再生能源領(lǐng)域的功率密度和更小的系統(tǒng)尺寸。
為了充分利用 SiC，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行一些更改，從而導(dǎo)致 PCB 發(fā)生重大變化。然后提供可靠的設(shè)計(jì)來(lái)處理更高的工作頻率是至關(guān)重要的。汽車(chē)應(yīng)用是從 SiC 技術(shù)中獲益良多的應(yīng)用之一。它特別適用于主推進(jìn)裝置以及車(chē)載充電器和電池充電站。
為了幫助設(shè)計(jì)人員加快從硅到 SiC 的轉(zhuǎn)換，Wolfspeed 提出了一種模塊化方法 ( SpeedVal Kit )。根據(jù) Wolfspeed 的說(shuō)法，市場(chǎng)上現(xiàn)有的 SiC 評(píng)估套件不僅為工程師提供了一組可以測(cè)試的組件，而且只專(zhuān)注于 SiC 器件。當(dāng)與來(lái)自行業(yè)的各種柵極驅(qū)動(dòng)器一起使用時(shí)，SpeedVal 套件可以快速測(cè)試和優(yōu)化 Wolfspeed SiC MOSFET 的高速動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)性能。
作為 SiC 技術(shù)的，Wolfspeed 擁有600 V 至 1,700 V的SiC 肖特基二極管和MOSFET產(chǎn)品組合，以及廣泛的 SiC 功率模塊產(chǎn)品線(xiàn)，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)化封裝。
作為一家垂直整合的公司，Wolfspeed 擁有 SiC 生產(chǎn)過(guò)程中的所有步驟。創(chuàng)始人開(kāi)創(chuàng)了適用于高功率和射頻應(yīng)用的 SiC 和氮化鎵 (GaN) 解決方案（圖 1）。
圖 1：垂直整合的 SiC 制造（：Wolfspeed）
碳化硅
SiC 的介電強(qiáng)度是硅的 10 倍，因此為構(gòu)建在更高電壓下運(yùn)行的設(shè)備提供了可能性，并滿(mǎn)足充電基礎(chǔ)設(shè)施和智能電網(wǎng)領(lǐng)域的要求。更高的開(kāi)關(guān)頻率允許設(shè)計(jì)人員減小作為濾波器一部分的磁鐵、電感器或變壓器本身的物理尺寸，在使用高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)它們可以更小。
SiC 功率器件目前廣泛用于電源、用于電池充電和牽引驅(qū)動(dòng)的 BEV 功率轉(zhuǎn)換、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及太陽(yáng)能和風(fēng)能逆變器等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)等應(yīng)用。
隨著越來(lái)越多的制造商增加對(duì)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的投資，碳化硅對(duì)于汽車(chē)行業(yè)將變得更加重要。如果我們希望道路上的每輛車(chē)都是電動(dòng)汽車(chē)，長(zhǎng)距離電動(dòng)汽車(chē)不僅應(yīng)該成為標(biāo)準(zhǔn)，而且電池也應(yīng)該更便宜，充電更快。由于硅具有更大的帶隙、更強(qiáng)的擊穿電場(chǎng)和更高的導(dǎo)熱性，該行業(yè)正在從硅轉(zhuǎn)向用于電力電子的 SiC。與硅基元件相比，基于 SiC 的 MOSFET 具有更低的損耗、更高的開(kāi)關(guān)頻率和更高的功率密度。
在挑戰(zhàn)性的電源應(yīng)用中使用寬帶隙半導(dǎo)體離不開(kāi)對(duì)器件可靠性的仔細(xì)評(píng)估。在半導(dǎo)體行業(yè)，可靠性問(wèn)題并不新鮮，但隨著車(chē)輛中復(fù)雜半導(dǎo)體含量的不斷增加以及芯片越來(lái)越多地用于關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用（例如牽引逆變器和充電器），可靠性問(wèn)題受到了更多關(guān)注。功率器件測(cè)試不限于部件的數(shù)據(jù)表參數(shù)，因?yàn)橹圃焐掏ǔ?huì)運(yùn)行各種加速測(cè)試，包括高壓、高溫和高濕度測(cè)試。
模塊化平臺(tái)
Wolfspeed 的新 SpeedVal 套件是一個(gè)模塊化評(píng)估平臺(tái)，可為設(shè)計(jì)人員提供使用 SiC 構(gòu)建塊的功能，以實(shí)現(xiàn)無(wú)與倫比的多功能性、可定制性和快速簡(jiǎn)便的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。該平臺(tái)不僅能夠使用表面貼裝和通孔封裝中的各種 SiC 產(chǎn)品快速測(cè)試各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且還匯集了構(gòu)建塊的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)有效的系統(tǒng)評(píng)估。
“該套件的重點(diǎn)是幫助工程師更快地完成他們的設(shè)計(jì)過(guò)程，并減少沿途的意外，因?yàn)樗麄兛梢詼y(cè)試 MOSFET 以及他們打算在設(shè)計(jì)中使用的柵極驅(qū)動(dòng)器，并在之前使用 SpeedVal 進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化他們甚至開(kāi)始設(shè)計(jì)自己的硬件，”Wolfspeed 的 SME 和電源平臺(tái)經(jīng)理 Adam Anders 說(shuō)。“這降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并加快了開(kāi)發(fā)時(shí)間，使客戶(hù)能夠更快地獲得 Wolfspeed SiC 的好處?！?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
該套件使工程師能夠設(shè)置和測(cè)試功率轉(zhuǎn)換器的控制器、柵極驅(qū)動(dòng)器、磁性元件和 SiC 器件。根據(jù) Wolfspeed 的說(shuō)法，通過(guò)使客戶(hù)能夠在此評(píng)估平臺(tái)上同時(shí)評(píng)估所有關(guān)鍵組件，該策略降低了他們?cè)O(shè)計(jì)自己的系統(tǒng)所需的風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間。
“它可以幫助電力電子工程師更輕松地進(jìn)行測(cè)試，”安德斯說(shuō)。“他們可以在基于計(jì)算機(jī)的 GUI 上為雙脈沖或降壓或升壓功率測(cè)試設(shè)置參數(shù)，而不必從外部函數(shù)發(fā)生器或控制器提供 PWM。此外，固件工程師可以開(kāi)始開(kāi)發(fā)他們產(chǎn)品所需的一些自定義固件，并能夠在真正的高電壓/高功率設(shè)計(jì)上進(jìn)行測(cè)試，而不僅僅是在低壓控制器開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行測(cè)試。
“在使用 SiC MOSFET 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，導(dǎo)致低開(kāi)關(guān)損耗的高 dV/dt 和 di/dt 也會(huì)因布局中的寄生電感和電容而帶來(lái)挑戰(zhàn)，”他補(bǔ)充道。“柵極驅(qū)動(dòng)器本身也會(huì)影響 SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)性能，具體取決于驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度。SpeedVal 套件平臺(tái)允許工程師檢查這些相互作用并優(yōu)化整個(gè)門(mén)電路。在某些應(yīng)用中，需要對(duì) SiC MOSFET 進(jìn)行短路保護(hù)。對(duì)于 SiC，允許的短路持續(xù)時(shí)間比 IGBT 短，需要快速檢測(cè)和關(guān)斷。一些柵極驅(qū)動(dòng)器子卡包括短路保護(hù)，使工程師能夠優(yōu)化檢測(cè)電路的閾值和時(shí)序?！?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
該平臺(tái)由主板、電源子卡、柵極驅(qū)動(dòng)器卡、可選控制卡和其他潛在附件組成。設(shè)計(jì)人員可以使用“插入式”方法測(cè)試任何高達(dá) 1,200 V 的 Wolfspeed 分立器件以及來(lái)自其他制造商的各種柵極驅(qū)動(dòng)器替代方案。該評(píng)估平臺(tái)支持一系列電壓、封裝類(lèi)型和電源拓?fù)洌灾С謳缀跛袘?yīng)用。
工程師無(wú)需焊接即可通過(guò)更換功率子卡來(lái)快速更換 SiC 器件，同時(shí)仍保留與直流總線(xiàn)的低電感連接以獲得開(kāi)關(guān)性能。SiC 是 1,200 V 的解決方案，橫向 GaN 技術(shù)更難以滿(mǎn)足這些功率水平。
新的 SpeedVal 套件使設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并測(cè)量：
Q rr和開(kāi)關(guān)損耗 (E ON , E OFF , E RR )
定時(shí)（T DELAY-ON , T DELAY-OFF , T RISE , T FALL）
過(guò)沖 (V DS-MAX , I D-MAX )
開(kāi)關(guān)速度（di/dt、dV/dt）
圖 2：SpeedVal 套件框圖（：Wolfspeed）
圖 3：新的 SpeedVal 套件評(píng)估平臺(tái)允許設(shè)計(jì)人員選擇主板以及電源子板、柵極驅(qū)動(dòng)器和控制卡，以評(píng)估和設(shè)計(jì)適合其應(yīng)用要求的部件。（：Wolfspeed）
工程師還可以調(diào)整柵極電阻 (R G ) 以?xún)?yōu)化開(kāi)關(guān)行為，并評(píng)估各種封裝（包括 TO-247、TO-263 和 TOLL）中高達(dá) 1,200 V 的所有分立式 SiC MOSFET，同時(shí)以其所需的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為使用半橋主板的降壓或升壓轉(zhuǎn)換器。
該平臺(tái)還可用于高功率熱測(cè)試，以評(píng)估實(shí)際操作條件下的性能。還為系統(tǒng)的每個(gè)組件創(chuàng)建了一個(gè)的模塊化 SPICE 模型，以配合硬件測(cè)試。這將使工程師能夠?qū)y(cè)試結(jié)果與模擬進(jìn)行比較，并在模擬文件的基礎(chǔ)上構(gòu)建自己的系統(tǒng)模型。
“系統(tǒng)的 LTspice 模型包括對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵寄生元件的估計(jì)，例如直流總線(xiàn)路徑中的電感以及漏極和源極以及漏極和柵極之間的電容，”Anders 說(shuō)?！斑@不僅使仿真更加準(zhǔn)確，而且還為工程師開(kāi)發(fā)自己的設(shè)計(jì)提供了對(duì)合理值的洞察力。對(duì)于 SiC MOSFET，開(kāi)關(guān)損耗受 PCB 布局和柵極驅(qū)動(dòng)器特性的影響很大，因此在設(shè)計(jì)中必須小心控制這些元件?！?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
主板采用低電感布局，并采用螺絲端子電源連接。電源子卡針對(duì)每個(gè)器件封裝進(jìn)行了優(yōu)化，并使用同軸連接器進(jìn)行 V GS和 V DS測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性。它們利用高帶寬電流感測(cè)進(jìn)行開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量。電源子卡方法允許使用同一平臺(tái)評(píng)估各種封裝的 SiC 器件，從表面貼裝 TOLL 器件到 TO-247 封裝。
除了近推出的半橋版本之外，還計(jì)劃推出多個(gè)版本的主板，包括用于逆變器和電機(jī)控制的三相版本。
電源子卡配置為半橋。通過(guò)與 Wolfspeed 合作，的柵極驅(qū)動(dòng)器制造商能夠生產(chǎn)子卡柵極驅(qū)動(dòng)器板，使設(shè)計(jì)人員能夠測(cè)試整個(gè) SiC MOSFET 系列。每個(gè)配置都包含經(jīng)過(guò)優(yōu)化的底板、直流總線(xiàn)、電源模塊的電流感應(yīng)和子卡柵極驅(qū)動(dòng)器。每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器卡上有兩個(gè)隔離的柵極驅(qū)動(dòng)輸出，用于驅(qū)動(dòng)半橋功率子卡。工程師可以使用他們的柵極驅(qū)動(dòng)器和功能集來(lái)測(cè)試卡上的 Wolfspeed 設(shè)備，同時(shí)進(jìn)行測(cè)量和優(yōu)化 SiC MOSFET 插頭柵極驅(qū)動(dòng)器對(duì)的性能。
圖 4：電源子卡（：Wolfspeed）
對(duì)于眾多應(yīng)用領(lǐng)域的 SiC 設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，SpeedVal 套件是一個(gè)很好的起點(diǎn)。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，加速 SiC 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)更高的效率、更小的尺寸、更輕的重量和更酷的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。Wolfspeed 與分銷(xiāo)合作伙伴 Arrow Electronics 合作，構(gòu)建了一個(gè)由行業(yè)組成的強(qiáng)大的 SiC 評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)。Wolfspeed 和 Arrow 與 Bourns 在磁性設(shè)計(jì)方面密切合作，選擇 Yageo/Kemet 作為電容器供應(yīng)商，并從 Texas Instruments、Analog Devices 和 Skyworks 以及其他正在開(kāi)發(fā)的公司那里獲得了兼容的柵極驅(qū)動(dòng)器子板。
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