用于 SiC 解决方案设计的模块化评估平台

以碳化硅(SiC) 技术为动力的下一代功率半导体将满足快速增长的纯电动汽车 (BEV) 市场和充电基础设施的需求，以及对新能效标准、更高工业和可再生能源领域的功率密度和更小的系统尺寸。
    为了充分利用 SiC，设计人员必须对其设计进行一些更改，从而导致 PCB 发生重大变化。然后提供可靠的设计来处理更高的工作频率是至关重要的。汽车应用是从 SiC 技术中获益良多的应用之一。它特别适用于主推进装置以及车载充电器和电池充电站。
    为了帮助设计人员加快从硅到 SiC 的转换，Wolfspeed 提出了一种模块化方法 ( SpeedVal Kit )。根据 Wolfspeed 的说法，市场上现有的 SiC 评估套件不仅为工程师提供了一组可以测试的组件，而且只专注于 SiC 器件。当与来自行业的各种栅极驱动器一起使用时，SpeedVal 套件可以快速测试和优化 Wolfspeed SiC MOSFET 的高速动态开关性能。
    作为 SiC 技术的，Wolfspeed 拥有600 V 至 1,700 V的SiC 肖特基二极管和MOSFET产品组合，以及广泛的 SiC 功率模块产品线，采用行业标准和优化封装。
    作为一家垂直整合的公司，Wolfspeed 拥有 SiC 生产过程中的所有步骤。创始人开创了适用于高功率和射频应用的 SiC 和氮化镓 (GaN) 解决方案（图 1）。

    垂直整合的碳化硅制造

    图 1：垂直整合的 SiC 制造（：Wolfspeed）
    碳化硅
    SiC 的介电强度是硅的 10 倍，因此为构建在更高电压下运行的设备提供了可能性，并满足充电基础设施和智能电网领域的要求。更高的开关频率允许设计人员减小作为滤波器一部分的磁铁、电感器或变压器本身的物理尺寸，在使用高开关频率时它们可以更小。
    SiC 功率器件目前广泛用于电源、用于电池充电和牵引驱动的 BEV 功率转换、工业电机驱动以及太阳能和风能逆变器等可再生能源发电系统等应用。
    随着越来越多的制造商增加对电动汽车开发的投资，碳化硅对于汽车行业将变得更加重要。如果我们希望道路上的每辆车都是电动汽车，长距离电动汽车不仅应该成为标准，而且电池也应该更便宜，充电更快。由于硅具有更大的带隙、更强的击穿电场和更高的导热性，该行业正在从硅转向用于电力电子的 SiC。与硅基元件相比，基于 SiC 的 MOSFET 具有更低的损耗、更高的开关频率和更高的功率密度。
    在挑战性的电源应用中使用宽带隙半导体离不开对器件可靠性的仔细评估。在半导体行业，可靠性问题并不新鲜，但随着车辆中复杂半导体含量的不断增加以及芯片越来越多地用于关键任务应用（例如牵引逆变器和充电器），可靠性问题受到了更多关注。功率器件测试不限于部件的数据表参数，因为制造商通常会运行各种加速测试，包括高压、高温和高湿度测试。
    模块化平台
    Wolfspeed 的新 SpeedVal 套件是一个模块化评估平台，可为设计人员提供使用 SiC 构建块的功能，以实现无与伦比的多功能性、可定制性和快速简便的系统级测试。该平台不仅能够使用表面贴装和通孔封装中的各种 SiC 产品快速测试各种拓扑结构，而且还汇集了构建块的整个生态系统，可实现有效的系统评估。
    “该套件的重点是帮助工程师更快地完成他们的设计过程，并减少沿途的意外，因为他们可以测试 MOSFET 以及他们打算在设计中使用的栅极驱动器，并在之前使用 SpeedVal 进行测试和优化他们甚至开始设计自己的硬件，”Wolfspeed 的 SME 和电源平台经理 Adam Anders 说。“这降低了设计风险并加快了开发时间，使客户能够更快地获得 Wolfspeed SiC 的好处。”
    该套件使工程师能够设置和测试功率转换器的控制器、栅极驱动器、磁性元件和 SiC 器件。根据 Wolfspeed 的说法，通过使客户能够在此评估平台上同时评估所有关键组件，该策略降低了他们设计自己的系统所需的风险和时间。
    “它可以帮助电力电子工程师更轻松地进行测试，”安德斯说。“他们可以在基于计算机的 GUI 上为双脉冲或降压或升压功率测试设置参数，而不必从外部函数发生器或控制器提供 PWM。此外，固件工程师可以开始开发他们产品所需的一些自定义固件，并能够在真正的高电压/高功率设计上进行测试，而不仅仅是在低压控制器开发板上进行测试。
    “在使用 SiC MOSFET 进行设计时，导致低开关损耗的高 dV/dt 和 di/dt 也会因布局中的寄生电感和电容而带来挑战，”他补充道。“栅极驱动器本身也会影响 SiC MOSFET 的开关性能，具体取决于驱动强度。SpeedVal 套件平台允许工程师检查这些相互作用并优化整个门电路。在某些应用中，需要对 SiC MOSFET 进行短路保护。对于 SiC，允许的短路持续时间比 IGBT 短，需要快速检测和关断。一些栅极驱动器子卡包括短路保护，使工程师能够优化检测电路的阈值和时序。”
    该平台由主板、电源子卡、栅极驱动器卡、可选控制卡和其他潜在附件组成。设计人员可以使用“插入式”方法测试任何高达 1,200 V 的 Wolfspeed 分立器件以及来自其他制造商的各种栅极驱动器替代方案。该评估平台支持一系列电压、封装类型和电源拓扑，以支持几乎所有应用。
    工程师无需焊接即可通过更换功率子卡来快速更换 SiC 器件，同时仍保留与直流总线的低电感连接以获得开关性能。SiC 是 1,200 V 的解决方案，横向 GaN 技术更难以满足这些功率水平。
    新的 SpeedVal 套件使设计人员能够优化栅极驱动系统并测量：
    Q rr和开关损耗 (E ON , E OFF , E RR )
    定时（T DELAY-ON , T DELAY-OFF , T RISE , T FALL）
    过冲 (V DS-MAX , I D-MAX )

    开关速度（di/dt、dV/dt）

    SpeedVal 套件框图

    图 2：SpeedVal 套件框图（：Wolfspeed）

    SpeedVal 套件评估平台
    图 3：新的 SpeedVal 套件评估平台允许设计人员选择主板以及电源子板、栅极驱动器和控制卡，以评估和设计适合其应用要求的部件。（：Wolfspeed）
    工程师还可以调整栅极电阻 (R G ) 以优化开关行为，并评估各种封装（包括 TO-247、TO-263 和 TOLL）中高达 1,200 V 的所有分立式 SiC MOSFET，同时以其所需的拓扑结构作为使用半桥主板的降压或升压转换器。
    该平台还可用于高功率热测试，以评估实际操作条件下的性能。还为系统的每个组件创建了一个的模块化 SPICE 模型，以配合硬件测试。这将使工程师能够将测试结果与模拟进行比较，并在模拟文件的基础上构建自己的系统模型。
    “系统的 LTspice 模型包括对系统中关键寄生元件的估计，例如直流总线路径中的电感以及漏极和源极以及漏极和栅极之间的电容，”Anders 说。“这不仅使仿真更加准确，而且还为工程师开发自己的设计提供了对合理值的洞察力。对于 SiC MOSFET，开关损耗受 PCB 布局和栅极驱动器特性的影响很大，因此在设计中必须小心控制这些元件。”
    主板采用低电感布局，并采用螺丝端子电源连接。电源子卡针对每个器件封装进行了优化，并使用同轴连接器进行 V GS和 V DS测量，以实现信号完整性。它们利用高带宽电流感测进行开关损耗测量。电源子卡方法允许使用同一平台评估各种封装的 SiC 器件，从表面贴装 TOLL 器件到 TO-247 封装。
    除了近推出的半桥版本之外，还计划推出多个版本的主板，包括用于逆变器和电机控制的三相版本。
    电源子卡配置为半桥。通过与 Wolfspeed 合作，的栅极驱动器制造商能够生产子卡栅极驱动器板，使设计人员能够测试整个 SiC MOSFET 系列。每个配置都包含经过优化的底板、直流总线、电源模块的电流感应和子卡栅极驱动器。每个栅极驱动器卡上有两个隔离的栅极驱动输出，用于驱动半桥功率子卡。工程师可以使用他们的栅极驱动器和功能集来测试卡上的 Wolfspeed 设备，同时进行测量和优化 SiC MOSFET 插头栅极驱动器对的性能。

    电源子卡

    图 4：电源子卡（：Wolfspeed）
    对于众多应用领域的 SiC 设计人员来说，SpeedVal 套件是一个很好的起点。在可预见的未来，加速 SiC 产品的设计对于实现更高的效率、更小的尺寸、更轻的重量和更酷的设计至关重要。Wolfspeed 与分销合作伙伴 Arrow Electronics 合作，构建了一个由行业组成的强大的 SiC 评估生态系统。Wolfspeed 和 Arrow 与 Bourns 在磁性设计方面密切合作，选择 Yageo/Kemet 作为电容器供应商，并从 Texas Instruments、Analog Devices 和 Skyworks 以及其他正在开发的公司那里获得了兼容的栅极驱动器子板。