碳化硅（SiC）電源管理解決方案搭配 可配置數(shù)字柵極驅(qū)動技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)萬物電氣化

Microchip Technology Inc.

Nitesh Satheesh/Tomas Krecek/Perry Schugart/Xuning Zhang/Kevin Speer

綠色倡議持續(xù)推動工業(yè)、航空航天和國防應(yīng)用，尤其是運(yùn)輸行業(yè)的電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型。碳化硅（SiC）是引領(lǐng)這一趨勢的核心技術(shù)，可提供多種新功能不斷推動各種車輛和飛機(jī)實(shí)現(xiàn)電氣化，從而減少溫室氣體（GHG）排放。

碳化硅解決方案支持以更小、更輕和更高效的電氣方案取代飛機(jī)的氣動和液壓系統(tǒng)，為機(jī)載交流發(fā)電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助動力裝置（APU）供電。這類解決方案還可以減少這些系統(tǒng)的維護(hù)需求。但是，SiC技術(shù)最顯著的貢獻(xiàn)體現(xiàn)在其所肩負(fù)實(shí)現(xiàn)商用運(yùn)輸車輛電氣化的使命上，這些車輛是世界上最大的GHG排放源之一。隨著1700V金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和可配置數(shù)字柵極驅(qū)動技術(shù)的問世，現(xiàn)今的SiC解決方案使設(shè)計(jì)人員能夠讓這些系統(tǒng)以最少的能源消耗產(chǎn)生最大的生產(chǎn)力。

1700V SiC MOSFET的優(yōu)勢

改用1700V MOSFET后，SiC技術(shù)的功率轉(zhuǎn)換優(yōu)勢已經(jīng)擴(kuò)展到電動商用和重型車輛以及輕軌牽引和輔助動力領(lǐng)域。這類器件支持現(xiàn)今和未來的汽車動力系統(tǒng)，并且正在迅速取代老舊的硅MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT)。它們能夠滿足世界上一些最大的二氧化碳（CO2）當(dāng)量GHG排放源（包括公共汽車、軌道車輛、中型和重型卡車以及充電基礎(chǔ)設(shè)施）的高功率和電壓需求。與硅MOSFET和IGBT相比，這類器件還可以提供更高的系統(tǒng)效率和可靠性，使設(shè)計(jì)人員能夠縮小輔助動力裝置（APU）和其他關(guān)鍵車輛系統(tǒng)的尺寸。

現(xiàn)今的1700V SiC器件可顯著降低開關(guān)損耗，僅有硅IGBT的零頭。這樣，設(shè)計(jì)人員便能提高開關(guān)頻率并縮小功率轉(zhuǎn)換器的尺寸。與IGBT不同，這些器件沒有拐點(diǎn)電壓，因此對于在“輕載條件”下運(yùn)行的運(yùn)輸APU（用于大部分時間都處于關(guān)閉狀態(tài)的火車門）等系統(tǒng)來說，導(dǎo)通損耗也較低。絕大多數(shù)應(yīng)用在其大部分使用壽命期間都在輕載條件下運(yùn)行，因此設(shè)計(jì)人員可以利用SiC MOSFET的低開關(guān)和導(dǎo)通損耗組合省去散熱器等各種熱管理措施。

現(xiàn)今的高壓SiC MOSFET不僅簡化了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并減少了元件數(shù)量，還在降低成本的同時提高了可靠性。這類器件具有1700V阻斷電壓，可縮小功率轉(zhuǎn)換器的尺寸，并使設(shè)計(jì)人員能夠用復(fù)雜程度更低的二級電路代替三級電路架構(gòu)。這有助于將器件數(shù)量減少一半甚至更多，同時簡化控制邏輯。

SiC MOSFET的重要注意事項(xiàng)

在選擇適用于重型運(yùn)輸車輛和其他數(shù)兆瓦級應(yīng)用的SiC MOSFET時，設(shè)計(jì)人員需要考慮幾個重要因素，其中包括是否使用基于單元電池（也稱為電力電子構(gòu)件或子模塊）的模塊化解決方案。

過去，單元電池中使用的功率半導(dǎo)體器件一直是1200V到1700V的硅IGBT。與低功率應(yīng)用十分相似，在單元電池級別部署1700V SiC MOSFET可以提高其功率處理能力和電氣性能。如前面所述，1700V SiC MOSFET的開關(guān)損耗要低得多，因此可以增加開關(guān)頻率并大幅縮小每塊單元電池的尺寸。此外，1700V的高阻斷電壓還可減少達(dá)到相同直流鏈路電壓所需的單元電池數(shù)量，最終在降低成本的同時提高系統(tǒng)可靠性。

設(shè)計(jì)人員還應(yīng)評估SiC MOSFET的固有體二極管的穩(wěn)健性。在施加應(yīng)力前后的漏-源極導(dǎo)通狀態(tài)電阻（RDSon）測試中，器件不應(yīng)表現(xiàn)出明顯的變化。這對于確保它們在經(jīng)過數(shù)小時的恒定正向電流應(yīng)力后不會降級至關(guān)重要，因?yàn)槠骷鲗?dǎo)反向電流，并在開關(guān)周期后對所有剩余能量進(jìn)行換向。不同供應(yīng)商供應(yīng)的器件之間存在很大的差異，因此設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)檢查SiC MOSFET測試結(jié)果。許多器件表現(xiàn)出至少某種程度的降級，而另一些甚至可能變得不穩(wěn)定。若選擇不會降級的SiC MOSFET，則無需外部反并聯(lián)二極管，并可節(jié)省相關(guān)管芯成本和電源模塊的空間。

還可能存在一些與具有不同程度潛在不一致性的體二極管性能相關(guān)的挑戰(zhàn)，具體情況因器件而異。這可以通過使用可配置數(shù)字柵極驅(qū)動器調(diào)整SiC MOSFET的導(dǎo)通參數(shù)來解決。這些驅(qū)動器還可用于減輕SiC MOSFET更快開關(guān)速度的次級效應(yīng)，包括噪聲和電磁干擾（EMI），以及由寄生電感和過熱引起的有限短路耐受時間和過壓。可配置數(shù)字柵極驅(qū)動技術(shù)已成為充分發(fā)揮SiC技術(shù)能力的關(guān)鍵。

解決設(shè)計(jì)難題，同時創(chuàng)造新商機(jī)

可配置數(shù)字柵極驅(qū)動器專為減輕SiC MOSFET更快開關(guān)速度的次級效應(yīng)而設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)模擬方法相比，除了可將漏-源極電壓（VDS）過沖降低最高達(dá)80%之外，它們還可以將開關(guān)損耗降低最多50%，并將上市時間縮短多達(dá)六個月。這些器件具有最高20A的峰值拉/灌電流能力，并配備帶低電容隔離層的隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器，可用于脈寬調(diào)制信號和故障反饋。此外，它們還可以在提供獨(dú)立短路響應(yīng)的同時實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的故障監(jiān)視和檢測，與僅通過適用于正常和短路情況的柵極電阻控制關(guān)斷斜坡的傳統(tǒng)模擬柵極驅(qū)動器相比，可實(shí)現(xiàn)更精確的MOSFET導(dǎo)通/關(guān)斷控制。即使標(biāo)準(zhǔn)模擬柵極驅(qū)動器調(diào)整后可與SiC MOSFET搭配使用，它們也無法提供這些功能。

可配置數(shù)字柵極驅(qū)動器還新增了增強(qiáng)開關(guān)功能。這使設(shè)計(jì)人員能夠探索各種配置，并將其重復(fù)用于不同的柵極驅(qū)動器參數(shù)（例如柵極開關(guān)配置文件、系統(tǒng)關(guān)鍵型監(jiān)視器和控制器接口設(shè)置），從而顯著縮短開發(fā)時間。無需任何硬件更改即可快速為各種應(yīng)用定制柵極驅(qū)動器，從而縮短從評估到生產(chǎn)的開發(fā)時間。在設(shè)計(jì)過程中，控制參數(shù)可以隨時修改，并且設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)應(yīng)用條件需求和/或SiC MOSFET的降級情況現(xiàn)場更改開關(guān)配置文件。

這些增強(qiáng)開關(guān)功能仍在不斷改進(jìn)。與傳統(tǒng)模擬驅(qū)動器的單步控制相比，數(shù)字柵極驅(qū)動現(xiàn)在可提供最多兩個導(dǎo)通控制步驟，同時擁有最多三個關(guān)斷控制級別。這可在關(guān)斷過程中實(shí)現(xiàn)“軟著陸”，如同腳踩在防抱死系統(tǒng)的制動器上。添加第四個短路設(shè)置級別可以更精確地控制SiC開關(guān)速度的次級效應(yīng)，并解決過沖、振鈴和關(guān)斷能量等變量的問題。利用這些功能，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒏斓拈_關(guān)和更精細(xì)的動態(tài)多步導(dǎo)通和關(guān)斷控制相結(jié)合，從而滿足SiC應(yīng)用日益增長的需求。

電機(jī)控制就是其中一個例子。如果電壓變化率（dV/dt）過高，電機(jī)的預(yù)期使用壽命會因此縮短，保修成本也會相應(yīng)增高。在更高頻率的電機(jī)面世之前，降低SiC開關(guān)速度是解決模擬柵極驅(qū)動器的這一問題的惟一方法，但這會降低效率。只有借助數(shù)字柵極驅(qū)動器的可配置增強(qiáng)導(dǎo)通功能，才能對dV/dt進(jìn)行微調(diào)，以快速實(shí)現(xiàn)最佳的折衷。圖1總結(jié)了模擬柵極驅(qū)動器和新一代數(shù)字柵極驅(qū)動器之間的區(qū)別。

圖1：傳統(tǒng)模擬柵極驅(qū)動器與兩代可配置數(shù)字柵極驅(qū)動器技術(shù)的比較

完整解決方案

全面的SiC生態(tài)系統(tǒng)可滿足從評估一直到生產(chǎn)的各種需求。關(guān)鍵元件包括柵極驅(qū)動器內(nèi)核、模塊適配器板、SP6LI低電感電源模塊、安裝硬件以及熱敏電阻和直流電壓連接器。應(yīng)當(dāng)為可配置軟件提供編程工具包。

模塊適配器板尤為重要。它們可讓設(shè)計(jì)人員快速配置和重復(fù)使用柵極驅(qū)動器導(dǎo)通/關(guān)斷電壓，從而提高靈活性。這適用于許多不同供應(yīng)商的SiC MOSFET，覆蓋的正負(fù)電壓范圍也十分廣泛，無需任何重新設(shè)計(jì)。即使SiC MOSFET之前與模擬柵極驅(qū)動器搭配使用也是如此。只需重新配置數(shù)字柵極驅(qū)動器，設(shè)計(jì)人員便可立即將解決方案投入生產(chǎn)。與此同時，他們可以繼續(xù)對柵極驅(qū)動器內(nèi)核和模塊適配器板進(jìn)行組合搭配，并遵循相同的流程加速投入生產(chǎn)。他們可以利用連接到筆記本電腦的SP6LI低電感電源模塊和相橋臂立即開始測試。

1700V SiC MOSFET電源管理解決方案與數(shù)字柵極驅(qū)動技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)對“萬物電氣化”，更具體地說，對重型運(yùn)輸車輛產(chǎn)生了巨大影響。這種結(jié)合使SiC技術(shù)能夠支持這類車輛的功率轉(zhuǎn)換需求，同時提高效率和可靠性。此外，可配置數(shù)字柵極驅(qū)動器提供了增強(qiáng)開關(guān)功能，有助于加速和簡化從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的整個流程，同時創(chuàng)造一系列新功能，包括根據(jù)應(yīng)用條件需求和/或SiC MOSFET的降級情況現(xiàn)場更改開關(guān)配置文件。

將SiC解決方案整合到整個系統(tǒng)解決方案中之后，可以打造出滿足當(dāng)今和未來需求的動力系統(tǒng)，大幅減小電氣化地鐵和其他重型運(yùn)輸車輛中的APU尺寸，從而為容納更多付費(fèi)乘客騰出更多空間。對設(shè)計(jì)人員來說，最受歡迎的優(yōu)勢之一在于，將可配置數(shù)字柵極驅(qū)動技術(shù)用于這些器件后，不再需要將柵極電阻焊接到電路板上來改變行為參數(shù)的繁瑣過程。現(xiàn)在，所有這些操作都可以利用按鍵完成，這將有助于更快地實(shí)現(xiàn)“萬物電氣化”。