SiC模块在一系列行业中越来越普遍。本文介绍了Microchip的SiC解决方案及其带来最大好处的应用

作者：Microchip Technology Perry Schugart
在电子交通、可再生能源和数据中心等具有重大创新的行业的推动下，对功率器件的需求不断增加。当今的功率应用具有持续更严格的要求，最重要的是与实现更高的效率（从而减少电力损耗）以及重量和尺寸的减少联系在一起。
经过多年的不断发展和改进，传统的硅基MOSFET和IGBT在需要更高的开关频率、更高的散热能力、更低的重量和更小的占地面积的功率应用中表现出了其局限性。
碳化硅（SiC）是一种宽带隙半导体，由于其能够在更高的电压、频率和温度下工作而不受损坏，因此克服了Si技术的限制。SiC在上市10多年后，现已达到成熟度和可靠性，可用于汽车、可再生能源、数据中心和航空航天等最关键的功率应用。


图1：Microchip的SiC产品组合

Microchip开发了具有更高重复无阻尼电感开关（UIS）能力的坚固SiC MOSFET；从而否定了添加缓冲器以保护SiC MOSFET免受过电压应力（雪崩）的需要。当流经电感的电流突然中断时，磁场会感应出反电动势，这会在MOSFET本身上产生非常高的电压。因此，对于功率器件来说，实现高度的坚固性是至关重要的，这里理解为当受到UIS时抵抗SiC MOSFET退化的能力；否则需要额外的部件来保护SiC MOSFET免受雪崩的影响。除了其坚固性外，Microchip SiC MOSFET解决方案还提供“类似IGBT”的短路性能，以承受意外的系统瞬态。
为了满足使用高开关频率和高工作电压来提高效率、减轻解决方案重量和尺寸的电力应用（如电气化运输、可再生能源、航空航天和工业应用）的要求，Microchip的新型3.3 kV SiC MOSFET包括R_DS(on)（低至25 mΩ），以及具有高达90A的额定电流的SiC SBD。
 
尽管3.3 kV IGBT目前在许多应用中使用，但它们的开关速度有限，导致高开关损耗和大系统尺寸。3.3 kV SiC MOSFET的使用使设计者能够减少解决方案的损耗、尺寸和重量；并将多级系统的复杂性降低到简单的两级设计。

SiC的优势与应用

与MOSFET和IGBT等传统硅功率器件相比，Microchip的SiC解决方案提供：

• 更高的结温和更好的冷却，更低的RDS（打开）和更高的效率
• 3倍更高的热导率，带来更高的功率密度和更高的电流能力
• 2倍更高的电子饱和速度，导致更快的开关和尺寸减小（此外，更高的开关频率可以实现更小的磁体、变压器、滤波器和无源器件，减少解决方案的占地面积）
• 降低开关损耗
• 在额定电压下，中子磁化率的失效率比可比IGBT低10倍
• SiC模块的寄生（杂散）电感极低，小于2.9 nH

Microchip的SiC产品所涉及的典型市场和应用包括：

• 交通运输：SiC器件的高稳健性和工作电压对于创建高效的电压逆变器和转换器以及用于电动汽车（汽车、公共汽车、卡车、铁路、船只、eVTOL和飞机）和充电基础设施的保护装置至关重要。
• 工业：高开关频率、低损耗和出色的热管理使SiC器件成为电机控制、开关电源、UPS、焊接和感应加热等应用的理想解决方案。
• 可再生能源：基于SiC的逆变器可用于光伏应用和风力涡轮机，以减少功率损耗并提高效率。
• 医疗：MRI和X射线等诊断设备需要可靠、坚固和高效的电源。
• 航空航天和国防：SiC的特性使基于这种材料的功率器件能够在高压和高温下工作而不会损坏。Microchip的SiC产品组合包括BL1、BL2和BL3系列无底座功率模块，这些模块已通过符合RTCA DO-160G标准的多项验证测试，目前已具备航空航天应用的资格，包括货运和重型无人机。

Si和SiC中R_DS(on)如何随温度变化之间的比较非常显著。在硅MOSFET中，R_DS(on)的温度依赖性（如图2所示）不随器件的额定电压而变化，因为硅MOSFET的电子迁移率主要由热散射决定。在25˚C和150˚C之间的温度范围内，R_DS(on)以约2.7:1的比例增加。


图2：Si MOSFET中RDS（导通）与温度的关系
 
相反，在图3中，我们可以观察到属于Microchip家族的1200V SiC器件的相同类型的曲线。在这种情况下，在25˚C和175˚C之间的温度范围内，R_DS(on)通常以1.5和1.8之间的比率变化。因此，与之前的曲线相比，这是一条几乎平坦的曲线。
 

图3：SiC 1200V器件中R_DS(on)与温度的关系
 

数字可编程栅极驱动器

为了解决在更高的开关频率下操作SiC和IGBT功率器件时可能出现的关键挑战，Microchip设计了可配置数字栅极驱动器的AgileSwitch系列。重要的是，需要通过适当地设置正确的栅极驱动参数来控制SiC MOSFET。否则，关闭尖峰、振铃、电磁干扰和DSAT可能会对器件造成永久性损坏。
AgileSwitch驱动器允许设计者使用增强开关技术控制、监控和保护基于SiC的应用，提供多达七个故障通知和保护，以实现安全可靠的操作。Microchip提供全系列模块适配器板和栅极驱动器核，以及其即插即用栅极驱动器板，以解决各种SiC功率模块的问题。
图4显示了用于1200V SiC模块的AgileSwitch SiC双通道栅极驱动器核。栅极驱动器核集成了增强开关控制技术，具有强大的短路保护功能，并且是完全软件可配置的，包括±V_gs栅极电源电压。由于SiC器件可以在更短的时间内（约2–3µs）承受短路，因此必须为栅极驱动器采用适当的短路保护参数。
 

图4：用于1200V SiC的双通道可配置数字栅极驱动器核
与传统的模拟栅极驱动器不同，这些数字栅极驱动器可以切换高达200 kHz的频率。它是完全软件配置的，可以防止假故障，减轻SiC和IGBT功率模块中的振铃、电磁干扰（EMI）以及过冲和下冲。将数字栅极驱动器核插入模块适配器板，使设计者能够快速评估模块和栅极驱动器，并缩短上市时间。
图4所示的栅极驱动器提供高达10A的峰值电流，并包括一个隔离DC/DC转换器（具有可配置的输出电压）和用于PWM信号和故障反馈的低电容隔离屏障。智能配置工具（ICT）是一种GUI，允许用户快速配置相关闸门驱动器参数，而无需担心更改硬件。可配置功能包括增强开关开启和关闭、±V_gs栅极电压（从15 V到21 V的正V_gs，从-5 V到0 V的负V_gs）、电源欠压和过电压锁定、去饱和检测设置、死区时间、故障锁定和重置设置。
工具和开发包
Microchip的SiC产品组合得到了广泛选择的SiC SPICE模型的支持，这些模型与MPLAB-Mindi模拟模拟器模块和驱动板参考设计兼容。此外，智能配置工具（ICT）使设计者能够为Microchip的AgileSwitch系列可配置数字栅极驱动器设置相关的SiC栅极驱动器参数。ICT接口允许设计者配置几个栅极驱动器参数，包括栅极开关配置文件、系统关键监视器和控制器接口设置。新器件可以快速轻松地进行特征化，无需焊接即可在实验室或现场更改驱动器设置。定制和优化的栅极驱动器可满足应用的要求，而无需更改硬件。为了进一步加快上市时间，ASDAK（无SiC模块）和ASDAK+（带SiC模块）加速开发套件包括优化SiC功率模块和系统性能所需的硬件和软件元素，为设计者节省了新设计的开发时间。
 
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