【導讀】以碳化硅(SiC) 技術為動力的下一代功率半導體將滿足快速增長的純電動汽車 (BEV) 市場和充電基礎設施的需求，以及對新能效標準、更高工業和可再生能源領域的功率密度和更小的系統尺寸。
以碳化硅(SiC) 技術為動力的下一代功率半導體將滿足快速增長的純電動汽車 (BEV) 市場和充電基礎設施的需求，以及對新能效標準、更高工業和可再生能源領域的功率密度和更小的系統尺寸。
為了充分利用 SiC，設計人員必須對其設計進行一些更改，從而導致 PCB 發生重大變化。然后提供可靠的設計來處理更高的工作頻率是至關重要的。汽車應用是從 SiC 技術中獲益良多的應用之一。它特別適用于主推進裝置以及車載充電器和電池充電站。
為了幫助設計人員加快從硅到 SiC 的轉換，Wolfspeed 提出了一種模塊化方法 ( SpeedVal Kit )。根據 Wolfspeed 的說法，市場上現有的 SiC 評估套件不僅為工程師提供了一組可以測試的組件，而且只專注于 SiC 器件。當與來自行業的各種柵極驅動器一起使用時，SpeedVal 套件可以快速測試和優化 Wolfspeed SiC MOSFET 的高速動態開關性能。
作為 SiC 技術的，Wolfspeed 擁有600 V 至 1,700 V的SiC 肖特基二極管和MOSFET產品組合，以及廣泛的 SiC 功率模塊產品線，采用行業標準和優化封裝。
作為一家垂直整合的公司，Wolfspeed 擁有 SiC 生產過程中的所有步驟。創始人開創了適用于高功率和射頻應用的 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 的介電強度是硅的 10 倍，因此為構建在更高電壓下運行的設備提供了可能性，并滿足充電基礎設施和智能電網領域的要求。更高的開關頻率允許設計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，在使用高開關頻率時它們可以更小。
SiC 功率器件目前廣泛用于電源、用于電池充電和牽引驅動的 BEV 功率轉換、工業電機驅動以及太陽能和風能逆變器等可再生能源發電系統等應用。
隨著越來越多的制造商增加對電動汽車開發的投資，碳化硅對于汽車行業將變得更加重要。如果我們希望道路上的每輛車都是電動汽車，長距離電動汽車不僅應該成為標準，而且電池也應該更便宜，充電更快。由于硅具有更大的帶隙、更強的擊穿電場和更高的導熱性，該行業正在從硅轉向用于電力電子的 SiC。與硅基元件相比，基于 SiC 的 MOSFET 具有更低的損耗、更高的開關頻率和更高的功率密度。
在挑戰性的電源應用中使用寬帶隙半導體離不開對器件可靠性的仔細評估。在半導體行業，可靠性問題并不新鮮，但隨著車輛中復雜半導體含量的不斷增加以及芯片越來越多地用于關鍵任務應用（例如牽引逆變器和充電器），可靠性問題受到了更多關注。功率器件測試不限于部件的數據表參數，因為制造商通常會運行各種加速測試，包括高壓、高溫和高濕度測試。
模塊化平臺
Wolfspeed 的新 SpeedVal 套件是一個模塊化評估平臺，可為設計人員提供使用 SiC 構建塊的功能，以實現無與倫比的多功能性、可定制性和快速簡便的系統級測試。該平臺不僅能夠使用表面貼裝和通孔封裝中的各種 SiC 產品快速測試各種拓撲結構，而且還匯集了構建塊的整個生態系統，可實現有效的系統評估。
“該套件的重點是幫助工程師更快地完成他們的設計過程，并減少沿途的意外，因為他們可以測試 MOSFET 以及他們打算在設計中使用的柵極驅動器，并在之前使用 SpeedVal 進行測試和優化他們甚至開始設計自己的硬件，”Wolfspeed 的 SME 和電源平臺經理 Adam Anders 說。“這降低了設計風險并加快了開發時間，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置和測試功率轉換器的控制器、柵極驅動器、磁性元件和 SiC 器件。根據 Wolfspeed 的說法，通過使客戶能夠在此評估平臺上同時評估所有關鍵組件，該策略降低了他們設計自己的系統所需的風險和時間。
“它可以幫助電力電子工程師更輕松地進行測試，”安德斯說。“他們可以在基于計算機的 GUI 上為雙脈沖或降壓或升壓功率測試設置參數，而不必從外部函數發生器或控制器提供 PWM。此外，固件工程師可以開始開發他們產品所需的一些自定義固件，并能夠在真正的高電壓/高功率設計上進行測試，而不僅僅是在低壓控制器開發板上進行測試。
“在使用 SiC MOSFET 進行設計時，導致低開關損耗的高 dV/dt 和 di/dt 也會因布局中的寄生電感和電容而帶來挑戰，”他補充道。“柵極驅動器本身也會影響 SiC MOSFET 的開關性能，具體取決于驅動強度。SpeedVal 套件平臺允許工程師檢查這些相互作用并優化整個門電路。在某些應用中，需要對 SiC MOSFET 進行短路保護。對于 SiC，允許的短路持續時間比 IGBT 短，需要快速檢測和關斷。一些柵極驅動器子卡包括短路保護，使工程師能夠優化檢測電路的閾值和時序。”
該平臺由主板、電源子卡、柵極驅動器卡、可選控制卡和其他潛在附件組成。設計人員可以使用“插入式”方法測試任何高達 1,200 V 的 Wolfspeed 分立器件以及來自其他制造商的各種柵極驅動器替代方案。該評估平臺支持一系列電壓、封裝類型和電源拓撲，以支持幾乎所有應用。
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，同時仍保留與直流總線的低電感連接以獲得開關性能。SiC 是 1,200 V 的解決方案，橫向 GaN 技術更難以滿足這些功率水平。
新的 SpeedVal 套件使設計人員能夠優化柵極驅動系統并測量：
Q rr和開關損耗 (E ON , E OFF , E RR )
定時（T DELAY-ON , T DELAY-OFF , T RISE , T FALL）
過沖 (V DS-MAX , I D-MAX )
開關速度（di/dt、dV/dt）
圖 2：SpeedVal 套件框圖（：Wolfspeed）
圖 3：新的 SpeedVal 套件評估平臺允許設計人員選擇主板以及電源子板、柵極驅動器和控制卡，以評估和設計適合其應用要求的部件。（：Wolfspeed）
工程師還可以調整柵極電阻 (R G ) 以優化開關行為，并評估各種封裝（包括 TO-247、TO-263 和 TOLL）中高達 1,200 V 的所有分立式 SiC MOSFET，同時以其所需的拓撲結構作為使用半橋主板的降壓或升壓轉換器。
該平臺還可用于高功率熱測試，以評估實際操作條件下的性能。還為系統的每個組件創建了一個的模塊化 SPICE 模型，以配合硬件測試。這將使工程師能夠將測試結果與模擬進行比較，并在模擬文件的基礎上構建自己的系統模型。
“系統的 LTspice 模型包括對系統中關鍵寄生元件的估計，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確，而且還為工程師開發自己的設計提供了對合理值的洞察力。對于 SiC MOSFET，開關損耗受 PCB 布局和柵極驅動器特性的影響很大，因此在設計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。電源子卡針對每個器件封裝進行了優化，并使用同軸連接器進行 V GS和 V DS測量，以實現信號完整性。它們利用高帶寬電流感測進行開關損耗測量。電源子卡方法允許使用同一平臺評估各種封裝的 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，還計劃推出多個版本的主板，包括用于逆變器和電機控制的三相版本。
電源子卡配置為半橋。通過與 Wolfspeed 合作，的柵極驅動器制造商能夠生產子卡柵極驅動器板，使設計人員能夠測試整個 SiC MOSFET 系列。每個配置都包含經過優化的底板、直流總線、電源模塊的電流感應和子卡柵極驅動器。每個柵極驅動器卡上有兩個隔離的柵極驅動輸出，用于驅動半橋功率子卡。工程師可以使用他們的柵極驅動器和功能集來測試卡上的 Wolfspeed 設備，同時進行測量和優化 SiC MOSFET 插頭柵極驅動器對的性能。
圖 4：電源子卡（：Wolfspeed）
對于眾多應用領域的 SiC 設計人員來說，SpeedVal 套件是一個很好的起點。在可預見的未來，加速 SiC 產品的設計對于實現更高的效率、更小的尺寸、更輕的重量和更酷的設計至關重要。Wolfspeed 與分銷合作伙伴 Arrow Electronics 合作，構建了一個由行業組成的強大的 SiC 評估生態系統。Wolfspeed 和 Arrow 與 Bourns 在磁性設計方面密切合作，選擇 Yageo/Kemet 作為電容器供應商，并從 Texas Instruments、Analog Devices 和 Skyworks 以及其他正在開發的公司那里獲得了兼容的柵極驅動器子板。
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