Microchip的SiC解決方案解析

以下文章來源于PSD功率系統(tǒng)設(shè)計，作者Perry Schugart

SiC模塊在一系列行業(yè)中越來越普遍。本文介紹了Microchip的SiC解決方案及其帶來最大好處的應(yīng)用

作者：Microchip Technology Perry Schugart

在電子交通、可再生能源和數(shù)據(jù)中心等具有重大創(chuàng)新的行業(yè)的推動下，對功率器件的需求不斷增加。當(dāng)今的功率應(yīng)用具有持續(xù)更嚴格的要求，最重要的是與實現(xiàn)更高的效率（從而減少電力損耗）以及重量和尺寸的減少聯(lián)系在一起。

經(jīng)過多年的不斷發(fā)展和改進，傳統(tǒng)的硅基MOSFET和IGBT在需要更高的開關(guān)頻率、更高的散熱能力、更低的重量和更小的占地面積的功率應(yīng)用中表現(xiàn)出了其局限性。

碳化硅（SiC）是一種寬帶隙半導(dǎo)體，由于其能夠在更高的電壓、頻率和溫度下工作而不受損壞，因此克服了Si技術(shù)的限制。SiC在上市10多年后，現(xiàn)已達到成熟度和可靠性，可用于汽車、可再生能源、數(shù)據(jù)中心和航空航天等最關(guān)鍵的功率應(yīng)用。

01高度堅固性是至關(guān)重要

Microchip開發(fā)了具有更高重復(fù)無阻尼電感開關(guān)（UIS）能力的堅固SiC MOSFET；從而否定了添加緩沖器以保護SiC MOSFET免受過電壓應(yīng)力（雪崩）的需要。當(dāng)流經(jīng)電感的電流突然中斷時，磁場會感應(yīng)出反電動勢，這會在MOSFET本身上產(chǎn)生非常高的電壓。因此，對于功率器件來說，實現(xiàn)高度的堅固性是至關(guān)重要的，這里理解為當(dāng)受到UIS時抵抗SiC MOSFET退化的能力；否則需要額外的部件來保護SiC MOSFET免受雪崩的影響。除了其堅固性外，Microchip SiC MOSFET解決方案還提供“類似IGBT”的短路性能，以承受意外的系統(tǒng)瞬態(tài)。

為了滿足使用高開關(guān)頻率和高工作電壓來提高效率、減輕解決方案重量和尺寸的電力應(yīng)用（如電氣化運輸、可再生能源、航空航天和工業(yè)應(yīng)用）的要求，Microchip的新型3.3 kV SiC MOSFET包括RDS(on)（低至25 m?），以及具有高達90A的額定電流的SiC SBD。

盡管3.3 kV IGBT目前在許多應(yīng)用中使用，但它們的開關(guān)速度有限，導(dǎo)致高開關(guān)損耗和大系統(tǒng)尺寸。3.3 kV SiC MOSFET的使用使設(shè)計者能夠減少解決方案的損耗、尺寸和重量；并將多級系統(tǒng)的復(fù)雜性降低到簡單的兩級設(shè)計。

02SiC的優(yōu)勢與應(yīng)用

與MOSFET和IGBT等傳統(tǒng)硅功率器件相比，Microchip的SiC解決方案提供：

?更高的結(jié)溫和更好的冷卻，更低的RDS（打開）和更高的效率

?3倍更高的熱導(dǎo)率，帶來更高的功率密度和更高的電流能力

?2倍更高的電子飽和速度，導(dǎo)致更快的開關(guān)和尺寸減?。ù送猓叩拈_關(guān)頻率可以實現(xiàn)更小的磁體、變壓器、濾波器和無源器件，減少解決方案的占地面積）

?降低開關(guān)損耗

?在額定電壓下，中子磁化率的失效率比可比IGBT低10倍

?SiC模塊的寄生（雜散）電感極低，小于2.9 nH

Microchip的SiC產(chǎn)品所涉及的典型市場和應(yīng)用包括：

?交通運輸：SiC器件的高穩(wěn)健性和工作電壓對于創(chuàng)建高效的電壓逆變器和轉(zhuǎn)換器以及用于電動汽車（汽車、公共汽車、卡車、鐵路、船只、eVTOL和飛機）和充電基礎(chǔ)設(shè)施的保護裝置至關(guān)重要。

?工業(yè)：高開關(guān)頻率、低損耗和出色的熱管理使SiC器件成為電機控制、開關(guān)電源、UPS、焊接和感應(yīng)加熱等應(yīng)用的理想解決方案。

?可再生能源：基于SiC的逆變器可用于光伏應(yīng)用和風(fēng)力渦輪機，以減少功率損耗并提高效率。

?醫(yī)療：MRI和X射線等診斷設(shè)備需要可靠、堅固和高效的電源。

?航空航天和國防：SiC的特性使基于這種材料的功率器件能夠在高壓和高溫下工作而不會損壞。Microchip的SiC產(chǎn)品組合包括BL1、BL2和BL3系列無底座功率模塊，這些模塊已通過符合RTCA DO-160G標(biāo)準(zhǔn)的多項驗證測試，目前已具備航空航天應(yīng)用的資格，包括貨運和重型無人機。

Si和SiC中RDS(on)如何隨溫度變化之間的比較非常顯著。在硅MOSFET中，RDS(on)的溫度依賴性（如圖2所示）不隨器件的額定電壓而變化，因為硅MOSFET的電子遷移率主要由熱散射決定。在25?C和150?C之間的溫度范圍內(nèi)，RDS(on)以約2.7:1的比例增加。

圖2：Si MOSFET中RDS（導(dǎo)通）與溫度的關(guān)系

相反，在圖3中，我們可以觀察到屬于Microchip家族的1200V SiC器件的相同類型的曲線。在這種情況下，在25?C和175?C之間的溫度范圍內(nèi)，RDS(on)通常以1.5和1.8之間的比率變化。因此，與之前的曲線相比，這是一條幾乎平坦的曲線。

圖3：SiC 1200V器件中RDS(on)與溫度的關(guān)系

03數(shù)字可編程柵極驅(qū)動器

為了解決在更高的開關(guān)頻率下操作SiC和IGBT功率器件時可能出現(xiàn)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，Microchip設(shè)計了可配置數(shù)字柵極驅(qū)動器的AgileSwitch系列。重要的是，需要通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置正確的柵極驅(qū)動參數(shù)來控制SiC MOSFET。否則，關(guān)閉尖峰、振鈴、電磁干擾和DSAT可能會對器件造成永久性損壞。

AgileSwitch驅(qū)動器允許設(shè)計者使用增強開關(guān)技術(shù)控制、監(jiān)控和保護基于SiC的應(yīng)用，提供多達七個故障通知和保護，以實現(xiàn)安全可靠的操作。Microchip提供全系列模塊適配器板和柵極驅(qū)動器核，以及其即插即用柵極驅(qū)動器板，以解決各種SiC功率模塊的問題。

圖4顯示了用于1200V SiC模塊的AgileSwitch SiC雙通道柵極驅(qū)動器核。柵極驅(qū)動器核集成了增強開關(guān)控制技術(shù)，具有強大的短路保護功能，并且是完全軟件可配置的，包括±Vgs柵極電源電壓。由于SiC器件可以在更短的時間內(nèi)（約2–3μs）承受短路，因此必須為柵極驅(qū)動器采用適當(dāng)?shù)亩搪繁Ｗo參數(shù)。

圖4：用于1200V SiC的雙通道可配置數(shù)字柵極驅(qū)動器核

與傳統(tǒng)的模擬柵極驅(qū)動器不同，這些數(shù)字柵極驅(qū)動器可以切換高達200 kHz的頻率。它是完全軟件配置的，可以防止假故障，減輕SiC和IGBT功率模塊中的振鈴、電磁干擾（EMI）以及過沖和下沖。將數(shù)字柵極驅(qū)動器核插入模塊適配器板，使設(shè)計者能夠快速評估模塊和柵極驅(qū)動器，并縮短上市時間。

圖4所示的柵極驅(qū)動器提供高達10A的峰值電流，并包括一個隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器（具有可配置的輸出電壓）和用于PWM信號和故障反饋的低電容隔離屏障。智能配置工具（ICT）是一種GUI，允許用戶快速配置相關(guān)閘門驅(qū)動器參數(shù)，而無需擔(dān)心更改硬件。可配置功能包括增強開關(guān)開啟和關(guān)閉、±Vgs柵極電壓（從15 V到21 V的正Vgs，從-5 V到0 V的負Vgs）、電源欠壓和過電壓鎖定、去飽和檢測設(shè)置、死區(qū)時間、故障鎖定和重置設(shè)置。

04工具和開發(fā)包

Microchip的SiC產(chǎn)品組合得到了廣泛選擇的SiC SPICE模型的支持，這些模型與MPLAB-Mindi模擬模擬器模塊和驅(qū)動板參考設(shè)計兼容。此外，智能配置工具（ICT）使設(shè)計者能夠為Microchip的AgileSwitch系列可配置數(shù)字柵極驅(qū)動器設(shè)置相關(guān)的SiC柵極驅(qū)動器參數(shù)。ICT接口允許設(shè)計者配置幾個柵極驅(qū)動器參數(shù)，包括柵極開關(guān)配置文件、系統(tǒng)關(guān)鍵監(jiān)視器和控制器接口設(shè)置。新器件可以快速輕松地進行特征化，無需焊接即可在實驗室或現(xiàn)場更改驅(qū)動器設(shè)置。定制和優(yōu)化的柵極驅(qū)動器可滿足應(yīng)用的要求，而無需更改硬件。為了進一步加快上市時間，ASDAK（無SiC模塊）和ASDAK+（帶SiC模塊）加速開發(fā)套件包括優(yōu)化SiC功率模塊和系統(tǒng)性能所需的硬件和軟件元素，為設(shè)計者節(jié)省了新設(shè)計的開發(fā)時間。