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深入了解化碳化硅(SiC)模块器件

作者: 浮思特科技2024-06-07 14:21:01

  碳化硅(SiC)的高性能能力正在改变电力电子的格局,带来了诸如更高效率、更高功率密度和更好的热性能等优点。尤其是在汽车应用中,SiC技术显著受益,主要用于主推进、车载充电器和电池充电站。

  SiC的介电强度是硅的十倍,这使得高压设备的制造成为可能,以满足充电基础设施和智能电网的需求。此外,SiC的高开关频率使得磁性元件和电感器等组件的物理尺寸得以缩小。

碳化硅模块

  然而这只是冰山一角。SiC功率器件在各种应用中崭露头角,从电源和电动汽车(BEV)电源转换用于电池充电和牵引驱动,到工业电机驱动和可再生能源发电系统,如太阳能和风能逆变器。

  然而,要充分利用SiC,需要在设计方法上进行更改,往往导致印刷电路板(PCB)和较少的二次组件(如冷却器和晶体管)发生重大变化,这降低了成本并节省了空间。因此,适应这些变化的设计评估工具,能够快速、精确地测试新设计并仔细评估设备的可靠性,是必不可少的。

碳化硅模块

图1

  模块化设计的生态系统

  本质上,模块化设计是一种工具包,提供一个积木生态系统,以简化SiC器件评估过程。它促进了对各种SiC产品在表面贴装和通孔封装中的快速、全面的系统级测试。这个工具包的核心目标是简化并加速工程师、设计师和制造商的设计过程。它允许在实际硬件设计开始之前,同时测试和优化MOSFET和预期的栅极驱动器。工程师可以一次性建立并评估控制器、栅极驱动器、磁性元件和SiC器件,而不是单独设计每个系统。

  评估平台由主电路板、电源模块、栅极驱动模块和一个可选的控制模块组成,以及其他潜在的附加组件。设计人员可以通过“插入”方式测试各种离散器件,最高可达1200V,并配合各种厂商的栅极驱动选项。为了有效应对,这样的平台应适应广泛的电压范围、封装样式和功率拓扑,使其适用于大多数应用。这允许通过基于计算机的图形用户界面设置各种测试模式的参数,如双脉冲或降压或升压功率测试,消除了外部函数发生器或控制器生成PWM的需求。这样,固件工程师可以在真实的高压/高功率设计上开发和测试自定义固件,而不仅仅是在低压控制器开发板上。让我们仔细看看各个组件。

  主板

  我们示例中的主板(图2)具有低电感布局,并具有螺钉端子电源连接,以实现SiC器件的高效测试。为每个器件包量身定制的电源子卡使用同轴连接器进行VGS和VDS测量,从而确保最佳的信号完整性。它们还使用高带宽电流传感器进行精确的开关损耗测量。电源子卡的模块化设计允许平台评估各种SiC器件,从表面贴装TOLL器件到TO-247封装。可以预期,模块化设计计划将扩展到最初引入的半桥主板之外,未来可能会有用于逆变器和电机控制的三相变体。

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图2

  中央板基本上设置为半桥配置。它具有栅极驱动卡、电源子卡和可选控制卡的插槽。此外,它还包括一个冷却风扇、薄膜和陶瓷直流母线电容器,以及外部电源和信号连接。其设计中还包括电流和电压感应。

  MOSFET和栅极驱动器测试 - 在硬件设计开始前

  定制的子卡栅极驱动板由业界领先的栅极驱动公司与Wolfspeed联合开发,可以对整个SiC MOSFET系列进行全面测试。栅极驱动卡在SiC器件的分析和优化中发挥着关键作用。在设计SiC MOSFET时,由于高dV/dt和di/dt,布局中的寄生电感和电容往往带来独特的挑战。此外,栅极驱动器会影响SiC MOSFET的开关性能。

  分析整个栅极电路是降低设计风险的关键。每个栅极驱动卡具有两个隔离的栅极驱动输出和相应的隔离偏置电源,以驱动半桥电源子卡。在需要短路保护的应用中,平台中可用的几款栅极驱动卡包含此功能。这允许在最终设计开始之前,在评估板上优化响应时间并验证性能。

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图3

  评估平台中的栅极驱动卡(图3)在分析SiC器件的性能方面起着重要作用。它们为工程师提供了测量诸如QRR和开关损耗(EON, EOFF, ERR)等关键因素的方法,从而帮助理解器件的工作效率。还可以确定如TDELAY-ON、TDELAY-OFF、TRISE和TFALL等时间指标,提供不同条件下器件性能的概述。栅极电阻可以进行调谐,以在开关损耗与dV/dt或VDS电压过冲之间提供理想的平衡,基于应用的工作条件进行优化。

  电源子卡:测试广泛的SiC MOSFET

  评估平台中的电源子卡(图4)设置为半桥配置。每张卡包括高侧和低侧SiC MOSFET,以及使用分流器或CT进行的高带宽电流传感器。它们可以配置为高保真电流测量的双脉冲测试,或在强制空气冷却的连续功率降压或升压转换器中运行。工程师可以自由选择自己的栅极驱动器和功能集在卡上测试设备,进行测量并优化SiC MOSFET和栅极驱动器的性能。此外,通过切换电源子卡,可以替换SiC器件,避免焊接,并保持与直流母线的低电感连接,以实现最佳开关性能。电源子卡适用于TOLL、TO-263和TO-247 MOSFET,允许用户在单个平台上评估不同封装、电压等级和RDS(ON)器件。由于SiC是1200V应用的成熟解决方案,而横向GaN技术在此领域面临挑战,这些测试规定特别有利。

  在实际操作条件下进行高功率热测试

  在此示例中使用的评估套件中,可以调整栅极电阻(RG)以优化开关行为,并评估最高1200V的各种封装类型的离散SiC MOSFET。这些评估可以在首选拓扑如半桥主板的降压或升压转换器中进行。该平台还允许在实际操作条件下进行高功率热测试。一个综合的模块化SPICE模型伴随硬件测试,使工程师能够将测试结果与模拟结果进行比较,帮助设计开发。

碳化硅模块

图5a

碳化硅模块

图5b

  此外,SPICE系统模型提供了关键寄生元素的估算。这不仅提高了模拟的准确性,还指导工程师控制这些元素,这是在使用SiC MOSFET时的关键方面。最后,一个可选的降压升压板可用,允许在不同功率水平下进行特定应用的测试。定制设计的空心电感器(图5b)提供了最小化寄生电容的选项,确保精确的双脉冲测试(DPT),对于优化降压或升压转换器设计至关重要。

  通过降压升压滤波板(图5a),可以在此套件上全功率运行降压或升压转换器应用。这允许测量热数据以及转换器效率(图6)。

碳化硅模块

碳化硅模块

图6

  SiC器件评估的要点

  随着从电动汽车到太阳能和数据中心等许多行业对最高功率密度下的高效能转换需求的增加,SiC器件评估在电力电子中的重要性将继续增长。在这种情况下,功率器件测试不仅限于数据表参数。使用SpeedVal Kit平台的模块化SiC器件评估,工程师可以通过进行关键测试来加速设计周期,而无需为每次测试构建全新的设计,既耗时又昂贵。此外,SpeedVal Kit的所有设计文件均可用,允许工程师在自己的设计中重复使用平台的部分内容,降低设计风险。

  通过提供全面的解决方案,模块化设计评估包含了所有必要组件,包括栅极驱动器和控制板,实现了完整的功率验证。它允许在硬件开始之前进行测试,并在不同电压范围内进行测试,通过其低电感功率回路和电流感应设计简化了准确开关测量的过程。重要的是,SiC测试套件如SpeedVal Kit的模块化特性允许选择不同的板,根据特定应用需求定制测试条件。

  随着行业追求更高效率、更小尺寸、更轻重量和更冷却设计,SiC组件的应用将继续增长。为此,模块化SiC器件评估方法是一种实现优化设计的有效策略,在电力电子的未来中扮演着重要角色。

浮思特科技专注功率器件领域,为客户提供IGBTIPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。

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