對(duì)基于碳化硅 (SiC) 的系統(tǒng)的需求持續(xù)快速增長(zhǎng)，以最大限度地提高效率并減小尺寸和重量，從而使工程師能夠創(chuàng)建創(chuàng)新的電源解決方案。利用 SiC 技術(shù)的應(yīng)用范圍從電動(dòng)汽車和充電站到智能電網(wǎng)以及工業(yè)和航空電力系統(tǒng)。

新的數(shù)字可編程柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案進(jìn)一步支持加速?gòu)脑O(shè)計(jì)到生產(chǎn)的過(guò)程。碳化硅的耐壓性也很出色，在站立短路條件下不是很好。柵極驅(qū)動(dòng)器旨在解決所有這些問(wèn)題，包括系統(tǒng)噪聲、短路、過(guò)壓和過(guò)熱。

碳化硅技術(shù)

SiC 技術(shù)現(xiàn)在被廣泛認(rèn)為是硅的可靠替代品。許多功率模塊和功率逆變器制造商已經(jīng)為未來(lái)產(chǎn)品的路線圖奠定了基礎(chǔ)。SiC 襯底的更高電場(chǎng)強(qiáng)度允許使用更薄的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

“在過(guò)去三年中，碳化硅功率半導(dǎo)體器件的增長(zhǎng)翻了一番。市場(chǎng)上有很多人樂(lè)觀地認(rèn)為，它將在未來(lái)七到十年內(nèi)達(dá)到 100 億美元。我們看到了快速采用，并且我們正在全球范圍內(nèi)尋找大量機(jī)會(huì)。這些機(jī)會(huì)涵蓋工業(yè)、汽車、醫(yī)療、航空航天和國(guó)防、牽引或火車等許多不同類型的應(yīng)用，”Microchip Technology Inc. 戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理奧蘭多·埃斯帕扎 (Orlando Esparza) 說(shuō)。

圖 1：是什么推動(dòng)了 SiC 在電力電子領(lǐng)域的采用？[來(lái)源：微芯片]

EV 和其他大功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用使用碳化硅 (SiC) 電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)最高效率。“碳化硅可滿足需要 600 伏及以上系統(tǒng)電壓的應(yīng)用需求。我們看到 700 伏和 1200 伏設(shè)備在具有 400 伏或 800 伏總線的電動(dòng)汽車應(yīng)用或更高電壓范圍內(nèi)的工業(yè)醫(yī)療設(shè)備方面有很多機(jī)會(huì)。由于硅與效率相關(guān)的局限性，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在正在尋求轉(zhuǎn)向 GaN 或碳化硅，而且碳化硅允許他們的系統(tǒng)更小、重量更輕，并且整體系統(tǒng)成本實(shí)際上更低， ”奧蘭多·埃斯帕扎說(shuō)。

Microchip 的新型 700、1200 和 1700 V 電源模塊可最大限度地提高開(kāi)關(guān)效率、減少熱量增益并減少系統(tǒng)占用空間。新解決方案包括具有商業(yè)資格的 700、1200 和 1700V 肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD)。新的電源模塊系列包括各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括雙二極管、全橋、相腿、雙共陰極和三相橋，并提供多種電流和封裝選項(xiàng)。在設(shè)計(jì)中添加 SiC SBD 模塊可最大限度地提高開(kāi)關(guān)效率，減少熱增益，并允許更小的系統(tǒng)占用空間。高器件性能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠利用二極管本體的穩(wěn)定性而最大限度地減少對(duì)緩沖電路的需求，而不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)期退化。

圖 2：MSCSICSP3/REF2 參考設(shè)計(jì) [來(lái)源：Microchip]

Microchip 提供了多種參考設(shè)計(jì)來(lái)加速設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。MSCSICSP3/REF2 參考設(shè)計(jì)為 SiC SP3 相腳模塊提供了一個(gè)高度隔離的 SiC MOSFET 雙柵極驅(qū)動(dòng)器示例。它可以通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行配置，以半橋配置驅(qū)動(dòng)，任何時(shí)候都只有一側(cè)打開(kāi)，并帶有死區(qū)時(shí)間保護(hù)。低電感 SP6LI 驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 400 kHz 開(kāi)關(guān)頻率的半橋驅(qū)動(dòng)器。MSCSICPFC/REF5 是三相 Vienna PFC 參考設(shè)計(jì)，適用于 30 kW 應(yīng)用的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車/電動(dòng)汽車 (HEV/EV) 充電器。

圖 3：低電感 SP6LI 驅(qū)動(dòng)器參考設(shè)計(jì) [來(lái)源：Microchip]

圖 4：MSCSICPFC/REF5 是 3 相 Vienna PFC 參考設(shè)計(jì) [來(lái)源：Microchip]

Vienna 的 3 級(jí) 30 kW 功率因數(shù)校正 (PFC)、SiC 和 SP3/SP6LI 模塊驅(qū)動(dòng)參考項(xiàng)目/板，為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員提供有助于縮短開(kāi)發(fā)周期時(shí)間的工具。功率因數(shù)校正 (PFC) 對(duì)于解決潛在損耗源至關(guān)重要，應(yīng)相應(yīng)實(shí)施。

數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器

AgileSwitch? 系列數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器解決方案可有效減少高達(dá) 50% 的 EMI 問(wèn)題和開(kāi)關(guān)損耗。數(shù)字解決方案旨在解決在高開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行 SiC 和 IGBT 功率器件時(shí)出現(xiàn)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。它們可以切換至 200 kHz 并提供多達(dá)七種不同的故障和監(jiān)控條件。

“我們的柵極驅(qū)動(dòng)器旨在解決所有這些問(wèn)題，例如系統(tǒng)中的噪聲、短路過(guò)熱和過(guò)壓。Microchip Technology Inc. 的 AgileSwitch 產(chǎn)品線總監(jiān) Rob Weber 說(shuō)：“我們針對(duì)在您嘗試驅(qū)動(dòng)碳化硅時(shí)出現(xiàn)的這些關(guān)鍵問(wèn)題提供了許多功能。

圖 5：數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)優(yōu)于模擬驅(qū)動(dòng) [來(lái)源：Microchip]

這些驅(qū)動(dòng)器采用 Augmented Switching? 技術(shù)和強(qiáng)大的短路保護(hù)功能，并且可以通過(guò)軟件進(jìn)行完全配置。它們針對(duì)運(yùn)輸和工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，包括逆變器和感應(yīng)加熱。

“我們這樣做的方法是通過(guò)我們開(kāi)發(fā)并獲得專利的技術(shù)，稱為增強(qiáng)切換。您可以在圖 6 的右側(cè)看到打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)的程式化波形。我們所做的是分步打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)，在不同的電壓電平下修改電壓和時(shí)間，以便打開(kāi)和關(guān)閉，”Rob Weber 說(shuō)。

Microchip 提供了大量開(kāi)發(fā)套件，用于使用數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行高效開(kāi)發(fā)。62 毫米電氣主即插即用 SiC 柵極驅(qū)動(dòng)器針對(duì)牽引、重型車輛和感應(yīng)加熱應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。ASDAK 包括快速優(yōu)化 SiC 模塊和系統(tǒng)性能所需的硬件和軟件元素。該工具使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠靈活地使用智能配置工具 (ICT) 通過(guò)軟件更新來(lái)調(diào)整系統(tǒng)性能。ICT 提供了多種驅(qū)動(dòng)參數(shù)的配置，包括開(kāi)/關(guān)柵極電壓、直流鏈路和溫度故障水平，以及增加的開(kāi)關(guān)配置文件。

通過(guò)減少正常運(yùn)行和短路 (DSAT) 條件下的關(guān)斷尖峰和振鈴，SiC MOSFET 模塊可以在更高的頻率下安全運(yùn)行，從而顯著提高功率轉(zhuǎn)換密度。這允許 SiC MOSFET 模塊更接近其額定規(guī)格運(yùn)行，從而改善尺寸、成本和性能。

審核編輯：湯梓紅