【導(dǎo)讀】以碳化硅(SiC) 技術(shù)為動(dòng)力的下一代功率半導(dǎo)體將滿足快速增長的純電動(dòng)汽車 (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)體將滿足快速增長的純電動(dòng)汽車 (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)來處理更高的工作頻率是至關(guān)重要的。汽車應(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，而且只專注于 SiC 器件。當(dāng)與來自行業(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，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)過程中的所有步驟。創(chuàng)始人開創(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。
隨著越來越多的制造商增加對(duì)電動(dòng)汽車開發(fā)的投資，碳化硅對(duì)于汽車行業(yè)將變得更加重要。如果我們希望道路上的每輛車都是電動(dòng)汽車，長距離電動(dòng)汽車不僅應(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)，可靠性問題并不新鮮，但隨著車輛中復(fù)雜半導(dǎo)體含量的不斷增加以及芯片越來越多地用于關(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)無與倫比的多功能性、可定制性和快速簡便的系統(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。“這降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并加快了開發(fā)時(shí)間，使客戶能夠更快地獲得 Wolfspeed SiC 的好處。”
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 的說法，通過使客戶能夠在此評(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。“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，固件工程師可以開始開發(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。”
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、封裝類型和電源拓?fù)洌灾С謳缀跛袘?yīng)用。
工程師無需焊接即可通過更換功率子卡來快速更換 SiC 器件，同時(shí)仍保留與直流總線的低電感連接以獲得開關(guān)性能。SiC 是 1,200 V 的解決方案，橫向 GaN 技術(shù)更難以滿足這些功率水平。
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和開關(guān)損耗 (E ON , E OFF , E RR )
定時(shí)（T DELAY-ON , T DELAY-OFF , T RISE , T FALL）
過沖 (V DS-MAX , I D-MAX )
開關(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 ) 以優(yōu)化開關(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。“這不僅使仿真更加準(zhǔn)確，而且還為工程師開發(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。”
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)過優(yōu)化的底板、直流總線、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)人員來說，SpeedVal 套件是一個(gè)很好的起點(diǎn)。在可預(yù)見的未來，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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