碳化硅的采用进入下一阶段，专注于器件可靠性

碳化硅（SiC）技术最大程度地提升了当下功率系统的效率，同时缩减了尺寸、重量和成本。但SiC解决方案并非直接替代硅，二者并不完全相同。要实现SiC技术的预期前景，开发人员必须基于质量、供应和支持情况，对产品和供应商进行审慎评估，并了解如何优化SiC功率元件与其终端系统的集成，以防止出现不必要的干扰。

采用率不断增长

SiC技术的采用率曲线呈急剧上升的趋势。可供选择的元件供应商范围扩大为多家，产品可用性随之得到提升。在过去三年，该市场的份额已实现翻倍，预计在未来10年内将有20倍增长，价值将超过100亿美元。采用范围从片上混动及纯电动汽车（H/EV）应用，延伸到火车、重载车、工业设备和电动汽车充电基础设施所使用的非汽车动力和电机控制系统。航空航天和国防领域供应商也在推动SiC的质量和可靠性改进，以满足这些领域对元件耐用性众所周知的严苛要求。

SiC开发计划的一个关键部分是，验证SiC器件的可靠性和耐用性，因为这两点在不同供应商之间存在巨大差异。随着对整体系统的关注日益增加，设计人员还需要评估供应商的产品范围。对设计人员而言，重要的是与能够在全球分销、支持以及综合设计模拟和开发工具的支持下提供芯片、分立元件和模块选项等灵活解决方案的供应商合作。在寻求能满足未来需求的设计过程中，开发人员还需要探索数字可编程栅极驱动等最新功能，以便在解决早期实现问题的同时实现一键式系统性能“调节”。

第一步：三个关键测试

三个测试提供的数据用于评估SiC器件的可靠性：雪崩耐受性、短路承受能力和SiC MOSFET体二极管的可靠性。

足够的雪崩耐受性至关重要：即使是无源器件的微小故障，也可能导致瞬态电压峰值超过额定击穿电压，最终导致器件甚至整个系统失效。雪崩耐受性充足的SiC MOSFET可减少对缓冲电路的需求，并能延长应用的寿命。选择额定值最佳的元器件，其UIS能力高达25焦耳/平方厘米（J/cm2）。即使在进行了10万次重复性UIS（RUIS）测试循环后，这些器件也很少出现参数退化。

第二个重要测试是短路耐受时间（SCWT），即在出现轨到轨短路的情况下，最多经过多长时间后器件会失效。结果应接近功率转换应用中所使用的IGBT，此类应用中的大多数SCWT为5-10微秒（us）。如果能确保SCWT足够长，系统就有机会维修故障情况，而不会造成系统损坏。

第三个关键指标是SiC MOSFET固有体二极管的正向电压稳定性。不同供应商的这一指标存在较大差异。如果器件的设计、加工和选材不当，则运行期间此二极管的导通性会下降，导致导通状态漏源电阻（RDSon）增大。图1展示了存在的差异。在由俄亥俄州州立大学开展的一项研究中，对来自三家不同供应商的MOSFET进行了评估。最终结果表明，来自供应商B的所有器件均呈现出正向电流下降的情况，而来自供应商C的MOSFET则未发现下降。

图1：SiC MOSFET的正向特性（按供应商显示体二极管导电性下降的差异）。来源：俄亥俄州州立大学Anant Agarwal博士和Min Seok Kang博士

验证了器件可靠性后，下一步是评估这些器件周围的生态系统，包括产品选择的广泛性、稳定的供应链和设计支持。

供应、支持和系统级设计

随着SiC供应商数量日益增多，除了用于支持和供应汽车、航空航天和国防等很多严苛SiC市场的经验和基础设施外，如今的SiC公司在器件选择方面也各有不同。

随着时间的推移，功率系统设计也在一代又一代的设计中得到不断改进。而SiC应用却没有什么不同。在早期的设计中，可以在非常标准的通孔或表面贴装封装选项内使用广泛采用的标准分立式功率产品。随着应用数量的增加，设计人员专注于缩减尺寸、重量和成本，因此，他们通常会采用集成功率模块的设计方式，或者选择第三方合作伙伴。第三方合作伙伴包括最终产品设计团队、模块制造商和SiC芯片供应商。在实现整体设计目标的过程中，每一方都至关重要。

对于增长迅速的SiC市场，供应链问题是一个关键而合理的考量因素。在SiC芯片的制造流程中，SiC基材是最昂贵的材料。此外，SiC制造需要使用高温制造设备，而这却并非开发硅基功率产品和IC所需。设计人员必须确保SiC供应商采用包含多个制造地的强大供应链模式，从而确保即使发生自然灾害或重大产量问题，供应也始终能够满足需求。许多元器件供应商还会停产（EOL）较早的几代器件，这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提高收入的全新创新设计。

设计支持也极为重要，这包括有助于缩短开发周期的模拟工具和参考设计。借助可解决SiC器件的控制和驱动问题的解决方案，开发人员可以探索一些新功能，例如可实现整体系统方法全部价值的增强型开关。图2给出了基于SIC的系统设计，其中集成了一个数字可编程栅极驱动器，不但可以进一步加快生产速度，同时还能创造优化设计的新方式。

图2：模块适配器板与栅极驱动器内核相结合，提供了一种通过增强型开关快速评估和优化新SiC功率器件的平台

设计优化的新选择

数字可编程栅极驱动选项通过增强型开关最大程度发挥SiC的优势。利用这些选项，可以轻松配置SiC MOSFET的导通/关断时间和电压大小，使设计人员能够提高开关速度、提高系统效率，同时减少与栅极驱动器开发相关的时间和复杂性。设计人员无需手动更改PCB，而是利用配置软件一键优化基于SiC的设计，在满足未来需求的同时，加快上市速度、提升效率并强化故障保护。

图3：使用数字可编程栅极驱动器实现最新增强型开关技术，帮助解决SiC噪声问题，提高短路响应速度，帮助管理电压过冲问题，最大程度地减少过热情况

随着在更多应用领域中的采用率不断提高，SiC的早期采用者已经在汽车、工业、航空航天和国防领域受益。成功的关键依然是验证SiC器件可靠性和耐用性的能力。随着开发人员采用整体系统解决方案策略，他们将需要掌握全面的产品组合信息，而完整可靠的全球供应链以及所有必要的设计模拟和开发工具会为这些产品组合提供支持。借助数字可编程栅极驱动带来的全新功能（如软件可配置设计优化等），他们还获得了把握面向未来的投资的新机遇。

来源：碳化硅芯观察