甚至懷疑它的人也改變了主意，因為他們驚嘆于它的能力、性能和強度。碳化硅 (SiC)，這種化合物一直令半導體設計師著迷。隨著對其技術(shù)的需求不斷增長，該技術(shù)可最大限度地提高當今電力系統(tǒng)的效率，同時減小其尺寸、重量和成本。但 SiC 解決方案并不是硅的直接替代品，而且它們的創(chuàng)建方式也不盡相同。為了實現(xiàn) SiC 技術(shù)的承諾，開發(fā)人員必須根據(jù)質(zhì)量、供應和支持仔細評估產(chǎn)品和供應商選項，并且他們必須了解如何優(yōu)化將這些顛覆性 SiC 功率組件集成到他們的終端系統(tǒng)中。

越來越多的采用

SiC 技術(shù)正處于陡峭的向上采用曲線上。產(chǎn)品可用性隨著來自多個組件供應商的選擇范圍的增加而增加。該市場在過去三年中翻了一番，預計在未來十 (10) 年內(nèi)價值將增長 20 倍，達到 100 億美元以上。采用范圍正在從車載混合動力和電動汽車 (H/EV) 應用擴展到火車、重型車輛、工業(yè)設備和 EV 充電基礎設施內(nèi)的非汽車電源和電機控制系統(tǒng)。航空航天和國防供應商也在推動 SiC 的質(zhì)量和可靠性，以滿足這些行業(yè)對組件耐用性的嚴格要求。

SiC 開發(fā)計劃的主要部分之一是驗證 SiC 器件的可靠性和耐用性，因為這在供應商之間存在很大差異。隨著整體系統(tǒng)關(guān)注度的增長趨勢，設計人員還需要評估供應商的產(chǎn)品范圍。設計師與供應商合作非常重要，這些供應商提供靈活的解決方案，例如由全球分銷和支持以及綜合設計仿真和開發(fā)工具支持的芯片、分立和模塊選項。尋求面向未來的設計的開發(fā)人員還需要探索最新的功能，例如數(shù)字可編程柵極驅(qū)動器，這些功能可以解決早期的實施問題，同時通過按鍵實現(xiàn)系統(tǒng)性能“調(diào)整”。

第一步：三個測試

三個測試提供了評估 SiC 器件可靠性的數(shù)據(jù)：雪崩能力、承受短路的能力和 SiC MOSFET 體二極管的可靠性。

足夠的雪崩能力至關(guān)重要：即使是無源器件的輕微故障也可能導致超過額定擊穿電壓的瞬態(tài)電壓尖峰，最終導致設備或整個系統(tǒng)失效。具有足夠雪崩能力的 SiC MOSFET 減少了對緩沖電路的需求并延長了應用壽命。評價最高的選項展示了高達 25 焦耳每平方厘米 (J/cm2) 的高 UIS 能力。即使經(jīng)過 100,000 次重復 UIS (RUIS) 測試，這些設備的參數(shù)也幾乎沒有下降。

第二個關(guān)鍵測試是短路耐受時間 (SCWT)，即在軌到軌短路條件下器件失效前的最長時間。結(jié)果應該接近功率轉(zhuǎn)換應用中使用的 IGBT，其中大多數(shù)具有 5 到 10 微秒 (us) 的 SCWT。確保足夠的 SCWT 使系統(tǒng)有機會在不損壞系統(tǒng)的情況下服務故障條件。

第三個關(guān)鍵指標是 SiC MOSFET 的本征體二極管的正向電壓穩(wěn)定性。這可能因供應商而異。如果沒有適當?shù)钠骷O計、加工和材料，該二極管的導電性可能會在運行期間降低，從而導致導通狀態(tài)漏源電阻 (RDSon) 增加。圖 1 闡明了存在的差異。俄亥俄州立大學進行的一項研究評估了來自三個供應商的 MOSFET。在結(jié)果的一端，供應商 B 的所有器件都顯示正向電流下降，而另一方面，供應商 C 的 MOSFET 未觀察到下降。

圖 1. 點擊圖片放大。SiC MOSFET 的正向特性，顯示供應商在體二極管退化方面的差異。（資料來源：俄亥俄州立大學 Anant Agarwal 博士和 Min Seok Kang 博士。）

一旦設備可靠性得到驗證，下一步就是評估圍繞這些設備的生態(tài)系統(tǒng)，包括產(chǎn)品選擇的廣度、可靠的供應鏈和設計支持。

供應、支持和系統(tǒng)級設計

隨著越來越多的 SiC 供應商，今天的 SiC 公司可以在設備選項方面有所不同——除了為支持和供應許多嚴格的 SiC 市場（如汽車、航空航天和國防）提供的經(jīng)驗和基礎設施外。

電力系統(tǒng)設計會隨著時間的推移和該設計的不同代而不斷改進。這同樣適用于 SiC 應用。早期的設計可以在非常標準的通孔或表面貼裝封裝選項中使用廣泛可用的標準分立電源產(chǎn)品。隨著應用數(shù)量的增長以及設計人員專注于減小尺寸、重量和成本，他們通常將設計轉(zhuǎn)移到集成電源模塊，或者可能會選擇三方合作伙伴關(guān)系。這三方合作伙伴包括終端產(chǎn)品設計團隊、模塊制造商和 SiC 芯片供應商。每個都在實現(xiàn)整體設計目標方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

圖 2. 模塊適配器板與柵極驅(qū)動器內(nèi)核相結(jié)合，提供了一個平臺，可通過增強開關(guān)快速評估和優(yōu)化新的 SiC 功率器件。

在快速增長的 SiC 市場中，供應鏈問題是一個關(guān)鍵且合理的問題。SiC 襯底材料是 SiC 芯片制造流程中成本最高的材料。此外，SiC 制造需要高溫制造設備，而開發(fā)硅基功率產(chǎn)品和 IC 則不需要這些設備。設計人員必須確保 SiC 供應商擁有強大的供應鏈模型，包括多個制造地點，以防自然災害或重大產(chǎn)量問題，以確保供應始終能夠滿足需求。許多組件供應商還淘汰了老一代設備，迫使設計人員將時間和資源花在重新設計現(xiàn)有應用程序上，而不是開發(fā)有助于降低最終產(chǎn)品成本和增加收入的新創(chuàng)新設計。

設計支持也很重要，包括有助于縮短開發(fā)周期的仿真工具和參考設計。借助解決 SiC 器件控制和驅(qū)動的解決方案，開發(fā)人員可以探索增強開關(guān)等新功能，以實現(xiàn)整個系統(tǒng)方法的全部價值。圖 2 顯示了基于 SIC 的系統(tǒng)設計，其集成了數(shù)字可編程柵極驅(qū)動器，可進一步加快生產(chǎn)時間，同時創(chuàng)造新的優(yōu)化設計方法。

設計優(yōu)化的新選擇

數(shù)字可編程柵極驅(qū)動選項通過增強開關(guān)最大限度地發(fā)揮 SiC 的優(yōu)勢。它們允許輕松配置 SiC MOSFET 開啟/關(guān)閉時間和電壓電平，因此設計人員可以加快開關(guān)速度并提高系統(tǒng)效率，同時降低與柵極驅(qū)動器開發(fā)相關(guān)的時間和復雜性。開發(fā)人員無需手動更改 PCB，而是可以使用配置軟件通過按鍵優(yōu)化其基于 SiC 的設計，使其面向未來，同時加快上市時間并提高效率和故障保護。

圖 3. 使用數(shù)字可編程柵極驅(qū)動器實施最新的增強型開關(guān)技術(shù)有助于解決 SiC 噪聲問題、加快短路響應、幫助管理電壓過沖問題并最大限度地減少過熱。

早期的 SiC 采用者已經(jīng)在汽車、工業(yè)、航空航天和國防領域?qū)崿F(xiàn)了優(yōu)勢。這種經(jīng)驗已經(jīng)在更廣泛的應用中得到采用。成功將繼續(xù)依賴于驗證 SiC 器件可靠性和耐用性的能力。隨著開發(fā)人員采用整體解決方案戰(zhàn)略，他們將需要獲得由完整可靠的全球供應鏈和所有必要的設計模擬和開發(fā)工具支持的全面產(chǎn)品組合。通過數(shù)字可編程柵極驅(qū)動實現(xiàn)的軟件可配置設計優(yōu)化的新功能，他們還將有新的機會進行面向未來的投資。

— Orlando Esparza，Microchip 戰(zhàn)略營銷經(jīng)理

審核編輯 黃昊宇