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(lái)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(chē)應用正從SiC技術(shù)中受益良多，主要用于主驅動(dòng)、車(chē)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(mǎn)足充電基礎設施和智能電網(wǎng)需求的高壓器件。此外，SiC的高開(kāi)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用中留下自己的印記，從電源和用于電池充電和牽引驅動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)電源轉換到工業(yè)電機驅動(dòng)和可再生能源發(fā)電系統，如太陽(yáng)能和風(fēng)能逆變器。

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

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構建塊的生態(tài)系統：模塊化設計本質(zhì)上，模塊化設計是一個(gè)工具包，提供了一套構建塊的生態(tài)系統，以簡(jiǎn)化SiC器件評估過(guò)程。它促進(jìn)了在表面貼裝和穿孔封裝的各種SiC產(chǎn)品上進(jìn)行快速、全面的系統級測試。

該工具包的核心目標是簡(jiǎn)化和加快工程師、設計師和制造商的設計過(guò)程。它允許在實(shí)際硬件設計開(kāi)始之前同時(shí)測試和優(yōu)化MOSFET和預期的門(mén)極驅動(dòng)器。該工具包使工程師能夠一次性建立和評估控制器、門(mén)極驅動(dòng)器、磁性元件和功率轉換器中的SiC器件，而不是獨立設計每個(gè)系統。

評估平臺由主電路板、功率模塊、門(mén)極驅動(dòng)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(mén)極驅動(dòng)器選項相結合。

為了有效，這種平臺應該能夠適應廣泛的電壓、封裝樣式和功率拓撲，使其適用于大多數應用。這使得可以通過(guò)基于計算機的圖形用戶(hù)界面設置各種測試模式的參數，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(gè)，固件工程師可以開(kāi)始在真正的高壓/高功率設計上開(kāi)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(kāi)發(fā)板。讓我們更仔細地看看各個(gè)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(zhuān)為每種器件封裝而定制，采用同軸連接器進(jìn)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來(lái)進(jìn)行精確的開(kāi)關(guān)損耗測量。電源子卡的模塊化設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。可以預期，模塊化設計計劃將超越最初推出的半橋主板，并正在開(kāi)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。它具有用于柵極驅動(dòng)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(xiàn)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計的一部分。

03

定制子卡柵極驅動(dòng)器板由行業(yè)領(lǐng)先的柵極驅動(dòng)器公司與 Wolfspeed 聯(lián)合開(kāi)發(fā)，可以促進(jìn)全系列 SiC MOSFET 的全面測試。柵極驅動(dòng)器卡在 SiC 器件的分析和優(yōu)化中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。由于高 dV/dt 和 di/dt，使用 SiC MOSFET 進(jìn)行設計通常會(huì )帶來(lái)與布局中的寄生電感和電容相關(guān)的獨特挑戰。此外，柵極驅動(dòng)器會(huì )影響 SiC MOSFET 的開(kāi)關(guān)性能。

分析整個(gè)門(mén)電路是降低設計過(guò)程風(fēng)險的關(guān)鍵。每個(gè)柵極驅動(dòng)器卡都帶有兩個(gè)隔離式柵極驅動(dòng)器輸出和相應的隔離式偏置電源，以驅動(dòng)半橋功率子卡。在需要短路保護的應用中，平臺中提供的多種柵極驅動(dòng)器卡都包含此功能。這樣可以在開(kāi)始最終設計之前優(yōu)化響應時(shí)間并驗證評估板上的性能。

評估平臺中的柵極驅動(dòng)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(kāi)關(guān)損耗(E ON、E OFF、E RR)等重要因素的方法，有助于了解設備的運行效率。還可以確定 T DELAY-ON、 T DELAY-OFF、 T RISE和 T FALL等時(shí)序指標，從而概述不同條件下的器件性能?？梢愿鶕玫墓ぷ鳁l件調整柵極電阻，以提供開(kāi)關(guān)損耗和 dV/dt 或 VDS 電壓過(guò)沖的理想平衡。

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評估平臺中的電源子卡(圖4)設置為半橋。每張卡均包含高側和低側 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)冷的連續功率降壓或升壓轉換器中運行。工程師可以自由地使用他們喜歡的柵極驅動(dòng)器和功能集來(lái)測試卡上的器件、進(jìn)行測量并改進(jìn) SiC MOSFET 和柵極驅動(dòng)器對的性能。

此外，可以通過(guò)切換電源子卡來(lái)替代 SiC 器件，避免焊接，并保持與直流總線(xiàn)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，單一平臺內的DS(ON)設備。SiC 作為 1,200 V 應用的成熟解決方案(橫向 GaN 技術(shù)在該領(lǐng)域面臨挑戰)，這些測試規定特別有益。

在此處用作示例的評估套件中，可以調整柵極電阻 (RG) 以?xún)?yōu)化開(kāi)關(guān)行為并評估各種封裝類(lèi)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換器。

該平臺還可以在實(shí)際操作條件下進(jìn)行高功率熱測試。硬件測試附帶全面的模塊化 SPICE 模型，使工程師能夠將測試結果與仿真進(jìn)行比較，從而幫助開(kāi)發(fā)設計。

此外，SPICE 系統模型還提供了關(guān)鍵寄生元件的估計。這不僅提高了仿真的準確性，還指導工程師控制這些元件，這是使用 SiC MOSFET 時(shí)的一個(gè)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(jìn)行特定于應用的測試。定制設計的空芯電感器(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)化降壓或升壓轉換器設計至關(guān)重要。

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

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隨著(zhù)從電動(dòng)汽車(chē)到太陽(yáng)能和數據中心等許多行業(yè)對最高功率密度下的節能轉換的需求不斷增加，SiC 器件評估在電力電子領(lǐng)域的重要性將繼續增長(cháng)。在這種情況下，功率器件測試不僅僅局限于數據表參數。通過(guò)使用 SpeedVal 套件平臺進(jìn)行模塊化 SiC 器件評估，工程師可以通過(guò)執行關(guān)鍵測試來(lái)加快設計周期，而無(wú)需為每次測試構建全新的設計而耗時(shí)且成本高昂。此外，SpeedVal 套件的所有設計文件均可用，允許工程師在自己的設計中重復使用該平臺的各個(gè)部分，從而降低設計風(fēng)險。

通過(guò)提供全面的解決方案，模塊化設計評估通過(guò)包含所有必要的組件(包括柵極驅動(dòng)器和控制板)來(lái)實(shí)現全面的功率驗證。它允許在硬件啟動(dòng)之前在不同的電壓范圍內進(jìn)行測試，并通過(guò)其低電感功率環(huán)路和電流感應設計簡(jiǎn)化精確開(kāi)關(guān)測量的過(guò)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，以根據特定應用要求定制測試條件。

隨著(zhù)行業(yè)努力提高效率、縮小尺寸、減輕重量和冷卻器設計，SiC 組件的應用將持續增長(cháng)。為此，SiC 器件評估的模塊化方法是實(shí)現優(yōu)化設計的有效策略，在電力電子的未來(lái)中發(fā)揮著(zhù)廣闊的前景。