与优先考虑单次充电续航里程的消费级电动汽车不同，其他交通运输应用场景可能具有不同的优先事项，而这些事项需要通过辅助动力装置 (APU) 的改进来解决。例如，轻轨的乘客空间至关重要，因为更高的头部空间可以容纳更多付费乘客。对于矿用车辆而言，现场可靠性至关重要，因为停机时间每天造成的损失高达数百万美元。在所有应用场景中，乘客舒适度都至关重要，尤其是在竞争激烈的原始设备制造商 (OEM) 市场中，这些制造商的目标客户都是要求苛刻的客户。
硅基 IGBT 的高开关损耗阻碍了交通运输 APU 的改进。由于 IGBT 限制了开关频率，因此限制了 APU 最大物理组件（隔离变压器和散热器）的最小尺寸。而使用碳化硅 (SiC) 可以提高开关频率，从而大幅减小隔离变压器的尺寸；同时，由于开关损耗降低了 80% 或更多，散热器的尺寸也可以相应减小。此外，APU 的开关频率可以超出人耳可听范围，从而消除令乘客烦恼的高频啸叫声。最后，效率至关重要，因为 APU 需要持续运行，而且通常是在轻负载下运行。在轻载条件下，SiC MOSFET 的导通损耗低于同类 IGBT。
碳化硅 (SiC) 能否胜任？
对于同时为舒适性和应急负载供电的辅助动力装置 (APU) 而言，SiC MOSFET 在各种工况下的可靠性至关重要。因此，需要验证以下几点：1) MOSFET 栅极氧化层的稳定性（这是 SiC MOSFET 的一个已知问题）；2) 栅极氧化层的寿命；3) MOSFET 体二极管的稳定性；以及 4) 故障恢复措施，例如抗雪崩能力和短路存活能力。
栅极氧化层完整性：
如果阈值电压发生偏移，器件性能会发生变化（例如，导通电阻增大），导致系统运行不稳定，甚至可能造成APU失效。图1显示，量产型SiC MOSFET在175°C下承受1000小时应力后，其阈值电压（Vth）数据不应出现显著变化。
图1：量产型SiC MOSFET在高温（左）和正栅极偏置电压（右）作用前后的阈值电压。
栅极氧化层寿命可以通过在高温和电场作用下加速样品失效来预测。提取每种失效模式的导通能量，并使用阿伦尼乌斯方程外推氧化层寿命（见图2）。量产级SiC MOSFET的栅极氧化层在高压下可保持100年以上，确保APU在其设计寿命之外也能可靠运行。
图 2. Microchip 生产级 SiC MOSFET 氧化层寿命外推示例。.
体二极管稳定性：
与IGBT不同，SiC MOSFET可以利用其固有的体二极管导通反向电流。在某些器件中，该二极管会随时间推移而退化，导致导通电阻RDSon增大，并产生比设计值更多的热量。图3显示了在持续正向电压作用数小时后，体二极管的I-V曲线和MOSFET的导通态漏源电阻(RDSon)[1]。不同供应商之间的差异很大。一家供应商的器件出现了明显的退化；另一家则完全无法使用。所选器件不应出现任何可察觉的变化。使用具有稳定体二极管的SiC MOSFET可以省去反并联二极管，从而提高可靠性并降低成本。
图 3. 商用 SiC MOSFET 电压施加前后的导通电阻 RDSon，揭示了三家供应商提供的器件固有体二极管质量的差异 [1].
现场生存能力：短路和雪崩
运输 APU 容易发生各种故障，因此需要设计 SiC MOSFET 以安全地承受这些事件，并在故障前后保持一致的性能。
短路耐受能力衡量的是 MOSFET 在漏源极间直流母线瞬间短路时能够承受的能力。MOSFET 沟道经过增强，使得设计合理的器件能够安全地将峰值电流分配到整个 MOSFET 芯片区域。图 4 显示了量产 SiC MOSFET 的短路耐受时间 (SCWT)；Microchip 的示例范围为 3 至 14 微秒，具体取决于直流母线电压和施加的 VGS。这对于许多市售栅极驱动器来说已经足够。更高级的驱动器（例如下一节中描述的驱动器）增加了短路检测功能。.
图 4 显示了量产型 SiC MOSFET 的短路耐受时间。
雪崩耐受性能的要求更高：负载电流突然涌入 MOSFET，迫使漏源电压上升至击穿电压。与短路不同，MOSFET 沟道不会得到增强；雪崩电流会使芯片边缘过载，迅速将器件推至其热极限。
重复非钳位电感开关 (R-UIS) 用于评估器件的雪崩耐受性能。图 5 显示了商用 SiC MOSFET 在 100,000 次 R-UIS 循环前后介质击穿时间 (TDDB)。许多供应商保持了氧化层耐受性能，但能够测试高达四倍耐受性能，以及导通电阻 (RDSon) 和漏源漏电流的稳定性 [2]，进一步增强了 SiC MOSFET 安全应对最严苛的电气过载条件的能力。
图 5. 四个供应商提供的商用 SiC MOSFET 在重复雪崩失效前后的时变介质击穿情况。.
低电感封装实现更快的开关速度。
电源系统中的电感问题，尤其是在高边沿比的情况下，会导致开关损耗增加、过高的溢出电压、不符合电磁干扰标准，甚至可能导致APU故障。设计人员为了降低MOSFET的开关速度而必须采取的预防措施，可能会让他们质疑SiC的价值所在。Microchip
的低电感SP6LI封装展示了如何解决这些问题。其相位级配置在功率回路中引入的寄生电感小于3纳亨。内部设计经过优化，确保了相同的时序和电流分配。使用氮化硅陶瓷（也可选择氮化铝）可以改善散热性能，底板可选铜或AlSiC。外部电源端子支持与直流链路的低电感连接，并支持两种方向的最佳并联。 SP6LI 使设计人员能够以更高的速度驱动 SiC MOSFET，实现最高效率和更低的 EMI，从而缩小 APU 的尺寸，同时避免与 EMI 相关的故障。
栅极驱动器确保APU稳定运行。
可编程数字栅极驱动器能够实时精确调节溢出电压和开关损耗，从而优化APU的性能和可靠性。这使得APU设计人员能够使用更低电压的元件和更小的散热器来降低APU的成本和尺寸，并省去耗费在焊接和焊接大量栅极电阻器上的繁琐工作。
增强型开关的影响如图6所示。与传统的关断方式（左图）不同，增强型关断首先以20V的开启电压启动，然后切换到用户设定的中间电压并保持一段时间，最后进入-5V的关断状态。由于SP6LI的电感极低，这种影响并不显著；其他文献 [2,3]报道了更显著的影响。此外，短路事件能够迅速停止，分别将峰值电压和电流降低60%和10%（图7）。
图 6. 可编程 AgileSwitch™ 门控制器的图形用户界面和使用（左）传统开关和（右）增强型开关的关断波形。.
图 7. 演示增强型开关（右）与传统开关（左）相比，如何降低短路事件期间的峰值电压和电流。.
全套SiC系统解决方案
设计人员而言，他们需要加速开发套件，该套件能够整合用于传输型APU的全套SiC系统解决方案的三个组成部分：坚固耐用的SiC功率器件、低电感功率封装和智能栅极驱动器。图8展示了如何将Microchip的解决方案集成到APU电路中。
图 8：Microchip 的 ASDAK+ 全桥移相器在传输 APU 的 DC-DC 部分的拟议实现方案。. [4]
摘要：
在交通运输车辆的辅助动力装置（APU）中使用碳化硅（SiC）MOSFET，相比硅基IGBT，在APU的尺寸、重量、效率和噪声方面具有颠覆性优势。然而，这些优势只有在保证高现场可靠性的前提下才能实现，而这需要使用稳健的SiC MOSFET、低电感封装以及能够充分发挥SiC优异性能的智能栅极驱动器。如今，设计人员可以利用完整的SiC系统解决方案来应对交通运输APU的设计挑战，这些方案能够同时降低APU的尺寸、噪声和现场故障率。
参考文献
[1] Agarwal, A. 和 Kang, M.，私人通信，2020 年。
[2] Speer, K.、Satheesh, N.、Kashyap, A. 和 Bontemps, S.，“采用整体系统解决方案简化 SiC 开发”，IEEE 电力电子杂志，第 28-35 卷，2020 年。
[3] Satheesh, N.、Robins, C. 和 Fender, A.，“智能 SiC MOSFET 栅极驱动器的现状”，Bodo's Power Systems，第 30-33 页，2018 年 2 月。
[4] Satheesh, N.，“碳化硅 MOSFET：小心处理”，载于会议论文集。应用电力电子会议 (APEC)，美国德克萨斯州圣安东尼奥，2018 年。
[5] Hayashiya, H. 和 Kondo, K.，“电力电子应用在电气铁路解决方案中的最新趋势”，IEEJ 电气与电子工程学报，第 15 卷：632-645，2020 年。
作者： Microchip Technology的 Kevin Speer、Nitesh Satheesh 和 Marc Rommerswinkel
