甚至懷疑它的人也改變了主意，因?yàn)樗麄凅@嘆于它的能力、性能和強(qiáng)度。碳化硅 (SiC)，這種化合物一直令半導(dǎo)體設(shè)計(jì)師著迷。隨著對(duì)其技術(shù)的需求不斷增長(zhǎng)，該技術(shù)可最大限度地提高當(dāng)今電力系統(tǒng)的效率，同時(shí)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(shí)現(xiàn) SiC 技術(shù)的承諾，開發(fā)人員必須根據(jù)質(zhì)量、供應(yīng)和支持仔細(xì)評(píng)估產(chǎn)品和供應(yīng)商選項(xiàng)，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(gè)組件供應(yīng)商的選擇范圍的增加而增加。該市場(chǎng)在過去三年中翻了一番，預(yù)計(jì)在未來十 (10) 年內(nèi)價(jià)值將增長(zhǎng) 20 倍，達(dá)到 100 億美元以上。采用范圍正在從車載混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車 (H/EV) 應(yīng)用擴(kuò)展到火車、重型車輛、工業(yè)設(shè)備和 EV 充電基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)的非汽車電源和電機(jī)控制系統(tǒng)。航空航天和國(guó)防供應(yīng)商也在推動(dòng) SiC 的質(zhì)量和可靠性，以滿足這些行業(yè)對(duì)組件耐用性的嚴(yán)格要求。

SiC 開發(fā)計(jì)劃的主要部分之一是驗(yàn)證 SiC 器件的可靠性和耐用性，因?yàn)檫@在供應(yīng)商之間存在很大差異。隨著整體系統(tǒng)關(guān)注度的增長(zhǎng)趨勢(shì)，設(shè)計(jì)人員還需要評(píng)估供應(yīng)商的產(chǎn)品范圍。設(shè)計(jì)師與供應(yīng)商合作非常重要，這些供應(yīng)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(shè)計(jì)仿真和開發(fā)工具支持的芯片、分立和模塊選項(xiàng)。尋求面向未來的設(shè)計(jì)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(dòng)器，這些功能可以解決早期的實(shí)施問題，同時(shí)通過按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能“調(diào)整”。

第一步：三個(gè)測(cè)試

三個(gè)測(cè)試提供了評(píng)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(dǎo)致超過額定擊穿電壓的瞬態(tài)電壓尖峰，最終導(dǎo)致設(shè)備或整個(gè)系統(tǒng)失效。具有足夠雪崩能力的 SiC MOSFET 減少了對(duì)緩沖電路的需求并延長(zhǎng)了應(yīng)用壽命。評(píng)價(jià)最高的選項(xiàng)展示了高達(dá) 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(fù) UIS (RUIS) 測(cè)試，這些設(shè)備的參數(shù)也幾乎沒有下降。

第二個(gè)關(guān)鍵測(cè)試是短路耐受時(shí)間 (SCWT)，即在軌到軌短路條件下器件失效前的最長(zhǎng)時(shí)間。結(jié)果應(yīng)該接近功率轉(zhuǎn)換應(yīng)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(jī)會(huì)在不損壞系統(tǒng)的情況下服務(wù)故障條件。

第三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)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(yīng)商而異。如果沒有適當(dāng)?shù)钠骷O(shè)計(jì)、加工和材料，該二極管的導(dǎo)電性可能會(huì)在運(yùn)行期間降低，從而導(dǎo)致導(dǎo)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(xué)進(jìn)行的一項(xiàng)研究評(píng)估了來自三個(gè)供應(yīng)商的 MOSFET。在結(jié)果的一端，供應(yīng)商 B 的所有器件都顯示正向電流下降，而另一方面，供應(yīng)商 C 的 MOSFET 未觀察到下降。

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

一旦設(shè)備可靠性得到驗(yàn)證，下一步就是評(píng)估圍繞這些設(shè)備的生態(tài)系統(tǒng)，包括產(chǎn)品選擇的廣度、可靠的供應(yīng)鏈和設(shè)計(jì)支持。

供應(yīng)、支持和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)

隨著越來越多的 SiC 供應(yīng)商，今天的 SiC 公司可以在設(shè)備選項(xiàng)方面有所不同——除了為支持和供應(yīng)許多嚴(yán)格的 SiC 市場(chǎng)（如汽車、航空航天和國(guó)防）提供的經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)設(shè)施外。

電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)隨著時(shí)間的推移和該設(shè)計(jì)的不同代而不斷改進(jìn)。這同樣適用于 SiC 應(yīng)用。早期的設(shè)計(jì)可以在非常標(biāo)準(zhǔn)的通孔或表面貼裝封裝選項(xiàng)中使用廣泛可用的標(biāo)準(zhǔn)分立電源產(chǎn)品。隨著應(yīng)用數(shù)量的增長(zhǎng)以及設(shè)計(jì)人員專注于減小尺寸、重量和成本，他們通常將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到集成電源模塊，或者可能會(huì)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(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、模塊制造商和 SiC 芯片供應(yīng)商。每個(gè)都在實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)目標(biāo)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(dòng)器內(nèi)核相結(jié)合，提供了一個(gè)平臺(tái)，可通過增強(qiáng)開關(guān)快速評(píng)估和優(yōu)化新的 SiC 功率器件。

在快速增長(zhǎng)的 SiC 市場(chǎng)中，供應(yīng)鏈問題是一個(gè)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(shè)備，而開發(fā)硅基功率產(chǎn)品和 IC 則不需要這些設(shè)備。設(shè)計(jì)人員必須確保 SiC 供應(yīng)商擁有強(qiáng)大的供應(yīng)鏈模型，包括多個(gè)制造地點(diǎn)，以防自然災(zāi)害或重大產(chǎn)量問題，以確保供應(yīng)始終能夠滿足需求。許多組件供應(yīng)商還淘汰了老一代設(shè)備，迫使設(shè)計(jì)人員將時(shí)間和資源花在重新設(shè)計(jì)現(xiàn)有應(yīng)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(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。借助解決 SiC 器件控制和驅(qū)動(dòng)的解決方案，開發(fā)人員可以探索增強(qiáng)開關(guān)等新功能，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)方法的全部?jī)r(jià)值。圖 2 顯示了基于 SIC 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其集成了數(shù)字可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器，可進(jìn)一步加快生產(chǎn)時(shí)間，同時(shí)創(chuàng)造新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

設(shè)計(jì)優(yōu)化的新選擇

數(shù)字可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)選項(xiàng)通過增強(qiáng)開關(guān)最大限度地發(fā)揮 SiC 的優(yōu)勢(shì)。它們?cè)试S輕松配置 SiC MOSFET 開啟/關(guān)閉時(shí)間和電壓電平，因此設(shè)計(jì)人員可以加快開關(guān)速度并提高系統(tǒng)效率，同時(shí)降低與柵極驅(qū)動(dòng)器開發(fā)相關(guān)的時(shí)間和復(fù)雜性。開發(fā)人員無需手動(dòng)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(shè)計(jì)，使其面向未來，同時(shí)加快上市時(shí)間并提高效率和故障保護(hù)。

圖 3. 使用數(shù)字可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器實(shí)施最新的增強(qiáng)型開關(guān)技術(shù)有助于解決 SiC 噪聲問題、加快短路響應(yīng)、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(guó)防領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了優(yōu)勢(shì)。這種經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)在更廣泛的應(yīng)用中得到采用。成功將繼續(xù)依賴于驗(yàn)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(yīng)鏈和所有必要的設(shè)計(jì)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?hào)艠O驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的軟件可配置設(shè)計(jì)優(yōu)化的新功能，他們還將有新的機(jī)會(huì)進(jìn)行面向未來的投資。

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

審核編輯 黃昊宇