綠色倡議持續(xù)推動工業(yè)、航空航天和國防應用，尤其是運輸行業(yè)的電力電子系統(tǒng)設計轉型。碳化硅（SiC）是引領這一趨勢的核心技術，可提供多種新功能不斷推動各種車輛和飛機實現(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的氣動和液壓系統(tǒng)，為機載交流發(fā)電機、執(zhí)行機構和輔助動力裝置（APU）供電。這類解決方案還可以減少這些系統(tǒng)的維護需求。但是，SiC 技術最顯著的貢獻體現(xiàn)在其所肩負實現(xiàn)商用運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 金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）和可配置數(shù)字柵極驅動技術的問世，現(xiàn)今的 SiC 解決方案使設計人員能夠讓這些系統(tǒng)以最少的能源消耗產生最大的生產力。

近日，Microchip專家發(fā)表了文章《碳化硅（SiC）電源管理解決方案搭配可配置數(shù)字柵極驅動技術助力實現(xiàn)“萬物電氣化”》將對此進行闡述。

碳化硅（SiC）電源管理解決方案搭配 可配置數(shù)字柵極驅動技術助力實現(xiàn)“萬物電氣化”

綠色倡議持續(xù)推動工業(yè)、航空航天和國防應用，尤其是運輸行業(yè)的電力電子系統(tǒng)設計 轉型。碳化硅（SiC）是引領這一趨勢的核心技術，可提供多種新功能不斷推動各種車輛 和飛機實現(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的氣動和液壓系統(tǒng)， 為機載交流發(fā)電機、執(zhí)行機構和輔助動力裝置（APU）供電。這類解決方案還可以減少這 些系統(tǒng)的維護需求。但是，SiC 技術最顯著的貢獻體現(xiàn)在其所肩負實現(xiàn)商用運輸車輛電氣 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 金屬氧化物半導體 場效應晶體管（MOSFET）和可配置數(shù)字柵極驅動技術的問世，現(xiàn)今的 SiC 解決方案使設 計人員能夠讓這些系統(tǒng)以最少的能源消耗產生最大的生產力。

1700V SiC MOSFET 的優(yōu)勢

改用 1700V MOSFET 后，SiC 技術的功率轉換優(yōu)勢已經擴展到電動商用和重型車輛以 及輕軌牽引和輔助動力領域。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 礎設施）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，使設計人員能夠縮小輔助動力裝置（APU）和其他關鍵車輛系統(tǒng)的尺寸。

現(xiàn)今的 1700V SiC 器件可顯著降低開關損耗，僅有硅 IGBT 的零頭。這樣，設計人員便 能提高開關頻率并縮小功率轉換器的尺寸。與 IGBT 不同，這些器件沒有拐點電壓，因此 對于在“輕載條件”下運行的運輸 APU（用于大部分時間都處于關閉狀態(tài)的火車門）等系統(tǒng) 來說，導通損耗也較低。絕大多數(shù)應用在其大部分使用壽命期間都在輕載條件下運行，因 此設計人員可以利用 SiC MOSFET 的低開關和導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 不僅簡化了電路拓撲結構并減少了元件數(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，可縮小功率轉換器的尺寸，并使 設計人員能夠用復雜程度更低的二級電路代替三級電路架構。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

在選擇適用于重型運輸車輛和其他數(shù)兆瓦級應用的 SiC MOSFET 時，設計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體器件一直是 1200V 到 1700V 的硅 IGBT。與低功率應用十分相似，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 的開關損耗要低得多，因此可以增加開關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。

設計人員還應評估 SiC MOSFET 的固有體二極管的穩(wěn)健性。在施加應力前后的漏-源極導通狀態(tài)電阻（RDSon）測試中，器件不應表現(xiàn)出明顯的變化。這對于確保它們在經過數(shù)小時的恒定正向電流應力后不會降級至關重要，因為器件會傳導反向電流，并在開關周期后對所有剩余能量進行換向。不同供應商供應的器件之間存在很大的差異，因此設計人員必須仔細檢查 SiC MOSFET 測試結果。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)字柵極驅動器調整 SiC MOSFET 的導通參數(shù)來解決。這些驅動器還可用于減輕 SiC MOSFET更快開關速度的次級效應，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 動技術已成為充分發(fā)揮 SiC 技術能力的關鍵。

解決設計難題，同時創(chuàng)造新商機

可配置數(shù)字柵極驅動器專為減輕 SiC MOSFET 更快開關速度的次級效應而設計。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 80%之外，它們還可以將開關損耗降低最多 50%，并將上市時間縮短多達六個月。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/直流轉換器，可用于脈寬調制信號 和故障反饋。此外，它們還可以在提供獨立短路響應的同時實現(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斷斜坡的傳統(tǒng)模擬柵極驅動器相比，可實現(xiàn)更精確的 MOSFET 導通/關斷控制。即使標準模擬柵極驅動器調整后可與 SiC MOSFET 搭配使用，它們也無法提供這些功能。

可配置數(shù)字柵極驅動器還新增了增強開關功能。這使設計人員能夠探索各種配置，并將其重復用于不同的柵極驅動器參數(shù)（例如柵極開關配置文件、系統(tǒng)關鍵型監(jiān)視器和控制 器接口設置），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用定制柵極驅動器，從而縮短從評估到生產的開發(fā)時間。在設計過程中，控制參數(shù)可以隨時修改，并 且設計人員還可以根據(jù)應用條件需求和/或 SiC MOSFET 的降級情況現(xiàn)場更改開關配置文件。

這些增強開關功能仍在不斷改進。與傳統(tǒng)模擬驅動器的單步控制相比，數(shù)字柵極驅動現(xiàn)在可提供最多兩個導通控制步驟，同時擁有最多三個關斷控制級別。這可在關斷過程中 實現(xiàn)“軟著陸”，如同腳踩在防抱死系統(tǒng)的制動器上。添加第四個短路設置級別可以更精確 地控制 SiC 開關速度的次級效應，并解決過沖、振鈴和關斷能量等變量的問題。利用這些功能，設計人員能夠將更快的開關和更精細的動態(tài)多步導通和關斷控制相結合，從而滿足SiC 應用日益增長的需求。

電機控制就是其中一個例子。如果電壓變化率（dV/dt）過高，電機的預期使用壽命會因此縮短，保修成本也會相應增高。在更高頻率的電機面世之前，降低 SiC 開關速度是解決模擬柵極驅動器的這一問題的唯一方法，但這會降低效率。只有借助數(shù)字柵極驅動器的可配置增強導通功能，才能對 dV/dt 進行微調，以快速實現(xiàn)最佳的折衷。圖 1 總結了模擬柵極驅動器和新一代數(shù)字柵極驅動器之間的區(qū)別。

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

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的各種需求。關鍵元件包括柵極驅動器 內核、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。應當為可配置軟件提供編程工具包。

模塊適配器板尤為重要。它們可讓設計人員快速配置和重復使用柵極驅動器導通/關斷電壓，從而提高靈活性。這適用于許多不同供應商的 SiC MOSFET，覆蓋的正負電壓范圍也十分廣泛，無需任何重新設計。即使 SiC MOSFET 之前與模擬柵極驅動器搭配使用也是如此。只需重新配置數(shù)字柵極驅動器，設計人員便可立即將解決方案投入生產。與此同時，他們可以繼續(xù)對柵極驅動器內核和模塊適配器板進行組合搭配，并遵循相同的流程加 速投入生產。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)字柵極驅動技術的結合已經對“萬物電氣 化”，更具體地說，對重型運輸車輛產生了巨大影響。這種結合使 SiC 技術能夠支持這類 車輛的功率轉換需求，同時提高效率和可靠性。此外，可配置數(shù)字柵極驅動器提供了增強 開關功能，有助于加速和簡化從設計到生產的整個流程，同時創(chuàng)造一系列新功能，包括根 據(jù)應用條件需求和/或 SiC MOSFET 的降級情況現(xiàn)場更改開關配置文件。

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輸車輛中的 APU 尺寸，從而為容納更多付 費乘客騰出更多空間。對設計人員來說，最受歡迎的優(yōu)勢之一在于，將可配置數(shù)字柵極驅動技術用于這些器件后，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現(xiàn)“萬物電氣化”。