模塊化碳化硅（SiC）器件評估的深入分析

碳化硅(SiC)的高性能能力正在改變功率電子領(lǐng)域的格局，帶來了諸如卓越的效率、增加的功率密度和提升的熱性能等好處。值得注意的是，汽車應(yīng)用正從SiC技術(shù)中受益良多，主要用于主驅(qū)動、車載充電器和電池充電站。

我們從之前的文章中了解到，SiC的介電強度是硅的十倍，使其能夠創(chuàng)建滿足充電基礎(chǔ)設(shè)施和智能電網(wǎng)需求的高壓器件。此外，SiC的高開關(guān)頻率使得可以減小磁鐵和電感器等組件的物理尺寸。

然而，這只是冰山一角。SiC功率器件正在各種應(yīng)用中留下自己的印記，從電源和用于電池充電和牽引驅(qū)動的電動汽車電源轉(zhuǎn)換到工業(yè)電機驅(qū)動和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，如太陽能和風(fēng)能逆變器。

充分利用SiC需要改變設(shè)計方法，通常會導(dǎo)致對印刷電路板(PCB)的重大更改，減少輔助組件如冷卻器和晶體管，從而降低成本并節(jié)省空間。因此，能夠適應(yīng)這些變化并實現(xiàn)新設(shè)計的快速、精確測試以及對器件可靠性進行仔細評估的設(shè)計評估工具至關(guān)重要。

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構(gòu)建塊的生態(tài)系統(tǒng)：模塊化設(shè)計本質(zhì)上，模塊化設(shè)計是一個工具包，提供了一套構(gòu)建塊的生態(tài)系統(tǒng)，以簡化SiC器件評估過程。它促進了在表面貼裝和穿孔封裝的各種SiC產(chǎn)品上進行快速、全面的系統(tǒng)級測試。

該工具包的核心目標(biāo)是簡化和加快工程師、設(shè)計師和制造商的設(shè)計過程。它允許在實際硬件設(shè)計開始之前同時測試和優(yōu)化MOSFET和預(yù)期的門極驅(qū)動器。該工具包使工程師能夠一次性建立和評估控制器、門極驅(qū)動器、磁性元件和功率轉(zhuǎn)換器中的SiC器件，而不是獨立設(shè)計每個系統(tǒng)。

評估平臺由主電路板、功率模塊、門極驅(qū)動器模塊和可選的控制模塊組成，還可以添加其他潛在的附件。設(shè)計師可以使用“插入式”方法測試各種離散器件，最高可達1,200V，與各種制造商提供的門極驅(qū)動器選項相結(jié)合。

為了有效，這種平臺應(yīng)該能夠適應(yīng)廣泛的電壓、封裝樣式和功率拓撲，使其適用于大多數(shù)應(yīng)用。這使得可以通過基于計算機的圖形用戶界面設(shè)置各種測試模式的參數(shù)，如雙脈沖或升壓-降壓功率測試，從而消除了對外部功能發(fā)生器或PWM生成器的需求。

有了這個，固件工程師可以開始在真正的高壓/高功率設(shè)計上開發(fā)和測試產(chǎn)品所需的定制固件，而不僅僅是低壓控制器開發(fā)板。讓我們更仔細地看看各個組件。

02

我們示例中的主板(圖 2)具有低電感布局，并具有螺釘端子電源連接，適合 SiC 器件的高效測試。電源子卡專為每種器件封裝而定制，采用同軸連接器進行 VGS 和 VDS 測量，從而確保最佳的信號完整性。

它們還使用高帶寬電流感應(yīng)來進行精確的開關(guān)損耗測量。電源子卡的模塊化設(shè)計使該平臺能夠評估一系列 SiC 器件，從表面貼裝 TOLL 器件到 TO-247 封裝。可以預(yù)期，模塊化設(shè)計計劃將超越最初推出的半橋主板，并正在開發(fā)用于逆變器和電機控制的三相變體等版本。

中央板基本上采用半橋配置。它具有用于柵極驅(qū)動器卡、電源子卡和可選控制卡的插槽。此外，它還集成了冷卻風(fēng)扇、薄膜和陶瓷直流總線電容器，以及外部電源和信號連接。電流和電壓檢測也是其設(shè)計的一部分。

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定制子卡柵極驅(qū)動器板由行業(yè)領(lǐng)先的柵極驅(qū)動器公司與 Wolfspeed 聯(lián)合開發(fā)，可以促進全系列 SiC MOSFET 的全面測試。柵極驅(qū)動器卡在 SiC 器件的分析和優(yōu)化中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。由于高 dV/dt 和 di/dt，使用 SiC MOSFET 進行設(shè)計通常會帶來與布局中的寄生電感和電容相關(guān)的獨特挑戰(zhàn)。此外，柵極驅(qū)動器會影響 SiC MOSFET 的開關(guān)性能。

分析整個門電路是降低設(shè)計過程風(fēng)險的關(guān)鍵。每個柵極驅(qū)動器卡都帶有兩個隔離式柵極驅(qū)動器輸出和相應(yīng)的隔離式偏置電源，以驅(qū)動半橋功率子卡。在需要短路保護的應(yīng)用中，平臺中提供的多種柵極驅(qū)動器卡都包含此功能。這樣可以在開始最終設(shè)計之前優(yōu)化響應(yīng)時間并驗證評估板上的性能。

評估平臺中的柵極驅(qū)動器卡(圖 3)有助于分析 SiC 器件的性能。它們?yōu)楣こ處熖峁┝艘环N測量 QRR 和開關(guān)損耗(E ON、E OFF、E RR)等重要因素的方法，有助于了解設(shè)備的運行效率。還可以確定 T DELAY-ON、 T DELAY-OFF、 T RISE和 T FALL等時序指標(biāo)，從而概述不同條件下的器件性能。可以根據(jù)應(yīng)用的工作條件調(diào)整柵極電阻，以提供開關(guān)損耗和 dV/dt 或 VDS 電壓過沖的理想平衡。

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評估平臺中的電源子卡(圖4)設(shè)置為半橋。每張卡均包含高側(cè)和低側(cè) SiC MOSFET，以及使用分流器或 CT 的高帶寬電流感測。它們可以配置為在具有高保真電流測量的雙脈沖測試中運行，或者在具有強制風(fēng)冷的連續(xù)功率降壓或升壓轉(zhuǎn)換器中運行。工程師可以自由地使用他們喜歡的柵極驅(qū)動器和功能集來測試卡上的器件、進行測量并改進 SiC MOSFET 和柵極驅(qū)動器對的性能。

此外，可以通過切換電源子卡來替代 SiC 器件，避免焊接，并保持與直流總線的低電感連接，以獲得最佳切換性能。電源子卡可用于 TOLL、TO-263 和 TO-247 MOSFET，單一平臺內(nèi)的DS(ON)設(shè)備。SiC 作為 1,200 V 應(yīng)用的成熟解決方案(橫向 GaN 技術(shù)在該領(lǐng)域面臨挑戰(zhàn))，這些測試規(guī)定特別有益。

在此處用作示例的評估套件中，可以調(diào)整柵極電阻 (RG) 以優(yōu)化開關(guān)行為并評估各種封裝類型的高達 1,200 V 的分立 SiC MOSFET。這些評估可以在首選拓撲中完成，例如使用半橋主板的降壓或升壓轉(zhuǎn)換器。

該平臺還可以在實際操作條件下進行高功率熱測試。硬件測試附帶全面的模塊化 SPICE 模型，使工程師能夠?qū)y試結(jié)果與仿真進行比較，從而幫助開發(fā)設(shè)計。

此外，SPICE 系統(tǒng)模型還提供了關(guān)鍵寄生元件的估計。這不僅提高了仿真的準(zhǔn)確性，還指導(dǎo)工程師控制這些元件，這是使用 SiC MOSFET 時的一個關(guān)鍵方面。最后，還提供可選的降壓-升壓板，允許在不同功率級別進行特定于應(yīng)用的測試。定制設(shè)計的空芯電感器(圖 5b)提供了最大限度減少寄生電容的選項，確保精確的雙脈沖測試 (DPT)，這對于優(yōu)化降壓或升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計至關(guān)重要。

借助降壓-升壓濾波器板 (5a)，降壓或升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用可以在此套件上全功率運行。這樣可以測量熱數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)換器效率(圖 6)。

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隨著從電動汽車到太陽能和數(shù)據(jù)中心等許多行業(yè)對最高功率密度下的節(jié)能轉(zhuǎn)換的需求不斷增加，SiC 器件評估在電力電子領(lǐng)域的重要性將繼續(xù)增長。在這種情況下，功率器件測試不僅僅局限于數(shù)據(jù)表參數(shù)。通過使用 SpeedVal 套件平臺進行模塊化 SiC 器件評估，工程師可以通過執(zhí)行關(guān)鍵測試來加快設(shè)計周期，而無需為每次測試構(gòu)建全新的設(shè)計而耗時且成本高昂。此外，SpeedVal 套件的所有設(shè)計文件均可用，允許工程師在自己的設(shè)計中重復(fù)使用該平臺的各個部分，從而降低設(shè)計風(fēng)險。

通過提供全面的解決方案，模塊化設(shè)計評估通過包含所有必要的組件(包括柵極驅(qū)動器和控制板)來實現(xiàn)全面的功率驗證。它允許在硬件啟動之前在不同的電壓范圍內(nèi)進行測試，并通過其低電感功率環(huán)路和電流感應(yīng)設(shè)計簡化精確開關(guān)測量的過程。重要的是，SiC 測試套件(例如 SpeedVal 套件)的模塊化特性允許選擇不同的板，以根據(jù)特定應(yīng)用要求定制測試條件。

隨著行業(yè)努力提高效率、縮小尺寸、減輕重量和冷卻器設(shè)計，SiC 組件的應(yīng)用將持續(xù)增長。為此，SiC 器件評估的模塊化方法是實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的有效策略，在電力電子的未來中發(fā)揮著廣闊的前景。