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    功率半导体碳化硅(SiC)技术

    Silicon Carbide Adoption Enters Next Phase

    碳化硅(SiC)技术的需求继续增长,这种技术可以最大限度地提高当今电力系统的效率,同时降低其尺寸、重量和成本。但碳化硅溶液并不是硅的替代品,它们也并非都是一样的。为了实现碳化硅技术的承诺,开发人员必须仔细评估基于质量、供应和支持的产品和供应商选项,并且他们必须了解如何优化将这些破坏性碳化硅电源组件集成到其最终系统中。

    对功率半导体器件的需求日益增长,推动了宽带隙半导体市场的发展。主要参与者一直在投资于SiC和GaN材料和晶圆的开发和大规模生产。WBG市场走向何方?谁是主导者?它们如何解决数十年来一直存在的成本高、数量有限和供应链受限的问题?这个EE时代的特别项目将揭示WBG半导体市场的技术、应用和动态。

    越来越多的采用

    碳化硅技术正处于一个急剧上升的采用曲线上。随着来自多个组件供应商的选择范围越来越广,产品可用性也越来越高。该市场在过去三年中翻了一番,预计在未来10年内将增长20倍,价值超过100亿美元。其应用范围正在超越车载混合动力和电动汽车(H/EV)应用,扩展到列车、重型车辆、工业设备和电动汽车充电基础设施内的非自动动力和电机控制系统。航空和国防供应商也在努力提高碳化硅的质量和可靠性,以满足这些行业对部件坚固性的严格要求。

    碳化硅开发计划的一个关键部分是验证碳化硅器件的可靠性和坚固性,因为这在供应商之间有很大的不同。随着对整个系统关注度的不断提高,设计人员也需要对供应商的产品供应范围进行评估。重要的是,设计师与供应商合作,提供灵活的解决方案,如模具、离散和模块选项,这些选项由全球分销和支持,以及全面的设计模拟和开发工具支持。希望将来证明其设计的开发人员还需要探索最新的功能,例如数字可编程门驱动程序,它可以解决早期的实现问题,同时通过按键实现系统性能“调整”。

    足够的雪崩能力是至关重要的:即使是无源器件的小故障也可能导致超过额定击穿电压的瞬态电压尖峰,最终导致设备或整个系统的故障。具有足够雪崩能力的sicmosfet减少了对缓冲电路的需求,延长了应用寿命。最好的选择显示高达25焦耳每平方厘米(J/cm~2)的用户界面能力。即使在重复进行100000次UIS(RUIS)测试之后,这些设备也几乎没有参数退化。              
    

    第二个关键测试是短路耐受时间(SCWT),即在钢轨对钢轨短路条件下,设备故障前的最长时间。其结果应与用于功率转换的igbt接近,其中大多数igbt具有5到10微秒的SCWT。确保足够的SCWT使系统有机会在不损坏系统的情况下运行故障条件。

    第三个关键指标是SiC MOSFET本征体二极管的正向电压稳定性。这在不同的供应商之间可能有很大的不同。如果没有合适的器件设计、工艺和材料,这种二极管的导电性在工作过程中可能会降低,从而导致通态漏源电阻(RDSon)的增加。图1揭示了存在的差异。在俄亥俄州立大学进行的一项研究中,对三家供应商的mosfet进行了评估。结果表明,供应商B的所有器件正向电流均出现退化,而供应商C的mosfet则没有退化。
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    图1. 单击图像放大。SiC mosfet的正向特性,显示了供应商在体二极管退化方面的差异。(俄亥俄州立大学Anant Agarwal博士和Min Seok Kang博士。)

    一旦设备可靠性得到验证,下一步就是评估这些设备周围的生态系统,包括产品选择的广度、可靠的供应链和设计支持。

    供应、支持和系统级设计

    随着碳化硅供应商数量的不断增加,如今的碳化硅公司可以在设备选择上有所不同,此外,还可以提供支持和供应许多严格的碳化硅市场(如汽车、航空航天和国防)的经验和基础设施。

    电力系统的设计随着时间的推移和设计的不同世代而不断改进。碳化硅的应用也不例外。早期的设计可以在非常标准的通孔或表面安装封装选项中使用广泛可用的标准离散电源产品。随着应用程序数量的增长和设计师专注于减小尺寸、重量和成本,他们通常会将设计转移到集成电源模块,或者选择三方合作伙伴关系。这三方合作伙伴包括最终产品设计团队、模块制造商和碳化硅模具供应商。它们在实现总体设计目标方面都起着关键作用。

    供应链问题是快速增长的碳化硅市场中一个关键和合理的关注点。碳化硅基片材料是碳化硅模具制造流程中成本最高的材料。此外,碳化硅制造需要开发硅基电力产品和集成电路所不需要的高温制造设备。设计人员必须确保碳化硅供应商有一个强大的供应链模型,包括在自然灾害或重大产量问题时的多个生产地点,以确保供应始终能够满足需求。许多组件供应商还终止了老一代设备的使用寿命(EOL),迫使设计师花费时间和资源重新设计现有的应用程序,而不是开发有助于降低最终产品成本和增加收入的新的创新设计。

    设计支持也很关键,包括有助于缩短开发周期的仿真工具和参考设计。通过解决SiC设备的控制和驱动问题的解决方案,开发人员可以探索诸如增强交换之类的新功能,以实现整个系统方法的全部价值。图2显示了一个基于SIC的系统设计,集成了数字可编程门驱动器,进一步加快了生产时间,同时创造了优化设计的新方法。
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    图2. 模块适配器板与栅极驱动核心相结合,提供了一个通过增强交换快速评估和优化新型SiC功率器件的平台。

    设计优化的新选择

    数字可编程门控驱动器选项通过增强开关最大限度地提高了SiC的效益。它们可以方便地配置SiC MOSFET的开关时间和电压水平,因此设计者可以加快开关速度,提高系统效率,同时降低与栅极驱动器开发相关的时间和复杂性。开发人员不必手动改变PCB,而是可以使用配置软件,通过按键来优化基于SiC的设计,在加快上市时间的同时,提高效率和故障保护。
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    图3. 使用数字可编程门驱动器实现最新的增强开关技术有助于解决碳化硅噪声问题,加快短路响应,有助于管理电压超调问题,并将过热降至最低。

    随着SiC在更广泛的应用中的应用日益广泛,早期的SiC采用者已经在汽车、工业、航空航天和国防领域实现了收益。成功将继续依赖于验证SiC器件可靠性和坚固性的能力。当开发人员采用整体解决方案策略时,他们将需要一个完整可靠的全球供应链和所有必要的设计模拟和开发工具支持的综合产品组合。他们还将有新的机会,通过数字可编程门控驱动的软件可配置设计优化的新功能,在未来进行经得起考验的投资。

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