作者： Jens Wallmann

盡管硅 (Si) 器件相對(duì)成熟，但碳化硅 (SiC) 功率器件仍有望降低產(chǎn)品成本并提高效率。然而，有些設(shè)計(jì)人員可能仍然認(rèn)為 SiC 半導(dǎo)體相當(dāng)昂貴且難以控制。

下面我們以 [Microchip Technology] 的 SiC 器件為例，從 SiC 技術(shù)的基本優(yōu)勢(shì)入手，為您打消這些顧慮。隨后，我們將探討 SiC 功率半導(dǎo)體，并展示有助于管理開發(fā)過程的仿真工具、可配置數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器以及參考設(shè)計(jì)。

體積小、重量輕、效率高且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠

工業(yè)廠房、電動(dòng)汽車 (EV) 或可再生能源中的許多高性能電氣應(yīng)用都必須不斷提高能源轉(zhuǎn)換效率、節(jié)約資源并降低成本。與成熟的硅絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 相比，SiC MOSFET 具有一些突出的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)電壓高達(dá) 2000 V，功率水平超過 3 kW。

憑借開關(guān)邊沿陡峭、過沖較少的特點(diǎn)，SiC 半導(dǎo)體可實(shí)現(xiàn)極低的開關(guān)損耗，在 30 kHz 的開關(guān)頻率下，與 IGBT 相比，開關(guān)損耗可降低多達(dá) 70%（圖 1）。這可以提高系統(tǒng)效率并降低電磁干擾 (EMI)，從而最大限度地減少對(duì)功率因數(shù)校正 (PFC) 和線路濾波器的需求。

圖 1：與 IGBT（上）相比，SiC MOSFET（下）在 30 kHz 開關(guān)頻率下可使開關(guān)損耗降低 70% 以上。（圖片來源：Microchip Technology）

在高開關(guān)頻率、高電壓和低電流的條件下工作需要使用體積更小的電感和電容元器件。這可以減輕重量、減小線徑并降低 BOM 成本。與硅晶體管相比，SiC 半導(dǎo)體在高溫條件下更穩(wěn)定，散熱性能更好，允許使用更小的散熱器以盡可能縮小體積。

由于雪崩能量較高，SiC MOSFET 在非鉗位感性開關(guān) (UIS) 用例中的表現(xiàn)十分穩(wěn)定。總體而言，SiC MOSFET 非常可靠，可實(shí)現(xiàn)高功率密度并耐受瞬態(tài)短路。

速度快、低損耗的 SiC 肖特基勢(shì)壘二極管

對(duì)于希望提高系統(tǒng)效率、縮小外形尺寸和提高工作溫度的設(shè)計(jì)人員而言，Microchip Technology 的 SiC 半導(dǎo)體提供了一種創(chuàng)新選擇，適合光伏逆變器、電池充電、儲(chǔ)能、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、不間斷電源 (UPS)、輔助電源和開關(guān)模式電源 (SMPS) 等應(yīng)用。

Microchip 的 SiC 肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD) 設(shè)計(jì)具有平衡的浪涌電流、正向電壓、熱阻、熱容、低反向電流和低開關(guān)損耗值。

SBD 還提供分立設(shè)計(jì)，例如采用共陰極和 TO-247-3 封裝結(jié)構(gòu)的 [MSC050SDA070BCT] 雙 SBD，可處理 700 V 的重復(fù)反向恢復(fù)電壓 (V RRM ) 和 88 A 的正向電流 (I F )。[MSC50DC70HJ] 全橋模塊采用螺紋端子，可處理 700 V 電壓和 50 A 電流，而 [MSCDC50X1201AG] 三相橋模塊則專為通孔焊接應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

堅(jiān)固耐用的高電壓、高電流 SiC MOSFET

新型 SiC MOSFET 具有較高的 UIS 能力，約為 10 至 25 J/cm ^2^ 。典型的 N 溝道單晶體管（如 [MSC080SMA120B4] ）采用 TO-247-4 封裝結(jié)構(gòu)，可在最大 1200 V 電壓下切換 37 A 電流，并具有獨(dú)立的開爾文源源連接，可實(shí)現(xiàn)無干擾柵極控制。

SiC MOSFET 電源模塊非常適合兩位數(shù)和三位數(shù)千瓦范圍內(nèi)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。例如，[MSCSM120AM02CT6LIAG] 半橋模塊采用螺紋端子，漏感極低。該器件包含兩個(gè) N 溝道 MOSFET，可以安全地切換高達(dá) 1200 V 的負(fù)載電路電壓和高達(dá) 947 A 的連續(xù)電流。

[MSCSM120TAM31CT3AG] 三相半橋模塊可以處理高達(dá) 1200 V 的漏極至源極電壓 (V DSS )、高達(dá) 89 A 的開關(guān)電流 (I D ) 以及 395 W 的最大功率耗散 (P D )。集成式 SBD 續(xù)流二極管具有零反向恢復(fù)、零正向恢復(fù)和不受溫度影響的開關(guān)特點(diǎn)。

數(shù)字可編程柵極驅(qū)動(dòng)器

Microchip 的加速 SiC 開發(fā)套件 ([ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01] ) 內(nèi)含操作低電感 SiC 模塊所需的全部硬件和軟件組件。該套件提供一塊即用型數(shù)字雙通道 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器插件板，專用于控制 1200 V SiC 模塊。此柵極驅(qū)動(dòng)器可以使用 [Microchip 的智能配置工具] (ICT) 和編程適配器進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

驅(qū)動(dòng)器板使用合適的適配器卡直接插入 SiC 模塊，形成緊湊的半橋單元，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)開/關(guān)操作（圖 2）。柵極驅(qū)動(dòng)器支持先進(jìn)的開關(guān)控制，具有強(qiáng)大的短路保護(hù)功能，并且完全可由軟件配置，包括 +/- Vgs 柵極電壓*。*

圖 2：在 ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01 中，一個(gè)適配器卡將 SiC 電源模塊連接到柵極驅(qū)動(dòng)器板，形成緊湊的半橋電源單元。（圖片來源：Microchip Technology）

快速成功開發(fā)

輕松、快速、可靠地為您的應(yīng)用設(shè)計(jì) SiC 半導(dǎo)體的另一種方法是使用 Microchip 的 [MPLAB SiC 電源仿真器] 。該電路仿真器基于分段線性電路仿真 (PLECS)，可幫助設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建原型之前評(píng)估 SiC 器件。其使用常見電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌ɡ?DC/AC、AC/DC 和 DC/DC 應(yīng)用）的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)來計(jì)算功率損耗并估算 SiC 器件的結(jié)溫。

在線 MPLAB SiC 電源仿真器提供電路拓?fù)湟怨┻x擇，可指導(dǎo)您完成元器件選擇、定義工作參數(shù)，并模擬電壓、電流、功率耗散和溫度的信號(hào)曲線（圖 3）。

圖 3：左側(cè)為在線 MPLAB SiC 電源仿真器的電路和系統(tǒng)參數(shù)，右側(cè)為模擬信號(hào)曲線。此處顯示的是 Vienna 三相橋式電路的電壓和電流曲線。（圖片來源：Microchip Technology）

Microchip 提供許多[基于 SiC 的參考設(shè)計(jì)] 文檔（包括設(shè)計(jì)文件），可幫助工程師快速上手。其中包括用于電動(dòng)汽車和工業(yè)應(yīng)用的電源、充電器和電能存儲(chǔ)系統(tǒng)：

• 用于電動(dòng)汽車充電的 11 kW 雙向 DC/DC 橋
• 30 kW Vienna 三相 PFC
• 150 kVA 三相 SiC 電源疊接式參考設(shè)計(jì)

結(jié)語

Microchip 的 SiC 功率半導(dǎo)體可以在兩、三千瓦級(jí)開關(guān)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中提升系統(tǒng)性能，并實(shí)現(xiàn)緊湊、高功率密度的設(shè)計(jì)。此外，設(shè)計(jì)人員還可以利用配套的仿真工具、可配置的數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器和豐富的參考設(shè)計(jì)，更快地成功完成自己的電路設(shè)計(jì)。

審核編輯 黃宇