普及
阶段。随着众多组件供应商提供的产品种类日益丰富，SiC 产品的供应量也随之增加。过去三年，SiC 市场规模翻了一番，预计未来十年将增长二十倍，超过 100 亿美元。SiC 的应用范围已从混合动力和电动汽车 (H/EV) 扩展到非汽车领域的电机和电力控制系统，例如火车、重型车辆、工业设备以及电动汽车充电基础设施。航空航天和国防领域的供应商也在努力提升 SiC 的质量和可靠性，以满足这些领域对组件严苛的可靠性要求。
验证 SiC 器件的可靠性和耐用性是 SiC 开发项目的关键环节，因为不同供应商的产品在这方面存在显著差异。随着整体系统方法的日益普及，设计人员还必须评估供应商的产品范围。对于设计人员而言，与能够提供灵活解决方案（例如芯片、分立器件和模块选项）并拥有全球分销、支持以及全面的设计仿真和开发工具的供应商合作至关重要。希望使其设计面向未来的开发人员还需要探索最新的功能，例如可编程数字门控制器，这些功能可以解决以前的实现难题，并允许通过按一个键来调整系统性能。
第一步：三项关键测试。
三项测试提供数据以评估SiC器件的可靠性：雪崩能力、短路耐受能力以及SiC MOSFET体二极管的可靠性。
足够的雪崩能力至关重要：即使是无源元件的微小故障也可能导致瞬态电压尖峰超过额定电压限值，最终导致器件失效，甚至整个系统失效。具有足够雪崩能力的SiC MOSFET可以减少对保护电路的需求，并延长应用的使用寿命。顶级产品展现出高达25焦耳/平方厘米（J/cm²）的超高瞬态冲击耐受能力。即使经过10万次重复的瞬态冲击耐受测试循环，这些器件的参数退化也很小。
第二项关键测试是短路耐受时间（SCWT），即器件在轨到轨短路条件下失效前的最大时间。结果应与用于功率转换应用的IGBT类似，大多数IGBT的SCWT为5至10微秒(µs)。确保足够的SCWT可使系统在故障情况下避免系统损坏。
第三个关键参数是SiC MOSFET本征二极管的正向电压稳定性。不同供应商的产品之间可能存在显著差异。如果器件设计、加工和材料不当，该二极管的导电性会在工作过程中下降，导致导通态漏源电阻(RDSon)增大。图1展示了这些差异。俄亥俄州立大学的一项研究评估了三家供应商的MOSFET。结果显示，供应商B的所有器件正向电流均出现下降，而供应商C的MOSFET则未观察到任何下降。
图1：SiC MOSFET的正向特性，显示了不同供应商二极管本体退化的差异。来源：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，下一步就是评估围绕这些设备的生态系统，包括产品选择的广度、强大的供应链和设计支持。
供应、支持和系统级设计：
随着碳化硅 (SiC) 供应商数量的不断增长，如今的 SiC 公司在器件选择、专业知识和基础设施方面都存在差异，难以满足汽车、航空航天/国防等众多高要求 SiC 市场的需求。
电源系统设计会随着时间的推移和不同代的设计不断改进。SiC 应用也不例外。早期设计可能采用广泛可用的标准分立式电源产品，并采用非常标准的表面贴装或通孔封装。随着应用数量的增加，设计人员专注于降低尺寸、重量和成本，他们通常会将设计转向集成电源模块，或者选择三方合作模式。这种三方合作模式包括最终产品设计团队、模块制造商和 SiC 芯片供应商。每个环节在实现整体设计目标中都发挥着至关重要的作用。
供应链问题是快速增长的 SiC 市场中一个关键且合理的关注点。SiC 衬底材料是 SiC 芯片制造过程中最昂贵的组件。此外，SiC 制造需要高温设备，而硅基功率产品和集成电路 (IC) 的开发则不需要。设计人员必须确保 SiC 供应商拥有稳健的供应链模式，包括多个生产基地，以应对自然灾害或重大性能问题，从而保证供应始终能够满足需求。此外，许多元器件供应商的上一代产品已接近生命周期末期，迫使设计人员花费时间和资源重新设计现有应用，而不是开发有助于降低最终产品成本和增加收入的创新设计。
设计支持也至关重要，包括有助于缩短开发周期的仿真工具和参考设计。借助用于控制和驱动 SiC 器件的解决方案，开发人员可以探索诸如增强开关等新功能，从而充分发挥整体系统方法的价值。图 2 展示了一个基于 SiC 的系统设计，该设计集成了一个可编程数字门控制器，可进一步加快生产速度并开辟优化设计的新途径。
图 2：模块适配器板与栅极驱动器内核相结合，通过增加开关次数，为快速评估和优化新型 SiC 功率器件提供了一个平台。.
设计优化的新方案
可编程数字栅极驱动器选项通过增强开关性能，最大限度地发挥了碳化硅 (SiC) 的优势。它们可以轻松配置 SiC MOSFET 的导通和关断时间以及电压电平，使设计人员能够加快开关速度并提高系统效率，同时减少栅极驱动器开发所需的时间和复杂性。开发人员无需手动修改印刷电路板，只需轻触按钮，即可使用配置软件优化其基于 SiC 的设计，从而确保其面向未来，加快产品上市速度，并提高效率和故障保护能力。.
图 3：使用可编程数字门驱动器来实现最新的增强型开关技术有助于解决 SiC 噪声问题，加快对短路的响应速度，有助于管理过压问题，并最大限度地减少过热。.
随着碳化硅（SiC）技术的应用范围不断扩大，汽车、工业、航空航天和国防领域的早期采用者已经开始从中获益。未来能否成功仍取决于能否验证碳化硅器件的可靠性和韧性。随着开发人员采用整体解决方案策略，他们需要获得全面的产品组合，并由完整可靠的全球供应链以及所有必要的设计和开发仿真工具提供支持。此外，得益于新型软件可配置设计优化功能（例如可编程数字门控），他们将拥有更多机会来确保其投资的未来价值。.
作者：奥兰多·埃斯帕扎， Microchip公司战略营销总监
