模块化碳化硅（SiC）器件评估的深入分析

碳化硅(SiC)的高性能能力正在改变功率电子领域的格局，带来了诸如卓越的效率、增加的功率密度和提升的热性能等好处。值得注意的是，汽车应用正从SiC技术中受益良多，主要用于主驱动、车载充电器和电池充电站。

 

我们从之前的文章中了解到，SiC的介电强度是硅的十倍，使其能够创建满足充电基础设施和智能电网需求的高压器件。此外，SiC的高开关频率使得可以减小磁铁和电感器等组件的物理尺寸。

 

然而，这只是冰山一角。SiC功率器件正在各种应用中留下自己的印记，从电源和用于电池充电和牵引驱动的电动汽车电源转换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。

 

充分利用SiC需要改变设计方法，通常会导致对印刷电路板(PCB)的重大更改，减少辅助组件如冷却器和晶体管，从而降低成本并节省空间。因此，能够适应这些变化并实现新设计的快速、精确测试以及对器件可靠性进行仔细评估的设计评估工具至关重要。

 

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构建块的生态系统：模块化设计本质上，模块化设计是一个工具包，提供了一套构建块的生态系统，以简化SiC器件评估过程。它促进了在表面贴装和穿孔封装的各种SiC产品上进行快速、全面的系统级测试。

 

该工具包的核心目标是简化和加快工程师、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和预期的门极驱动器。该工具包使工程师能够一次性建立和评估控制器、门极驱动器、磁性元件和功率转换器中的SiC器件，而不是独立设计每个系统。

 

评估平台由主电路板、功率模块、门极驱动器模块和可选的控制模块组成，还可以添加其他潜在的附件。设计师可以使用“插入式”方法测试各种离散器件，最高可达1,200V，与各种制造商提供的门极驱动器选项相结合。

 

为了有效，这种平台应该能够适应广泛的电压、封装样式和功率拓扑，使其适用于大多数应用。这使得可以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，如双脉冲或升压-降压功率测试，从而消除了对外部功能发生器或PWM生成器的需求。

 

有了这个，固件工程师可以开始在真正的高压/高功率设计上开发和测试产品所需的定制固件，而不仅仅是低压控制器开发板。让我们更仔细地看看各个组件。

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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，适合 SiC 器件的高效测试。电源子卡专为每种器件封装而定制，采用同轴连接器进行 VGS 和 VDS 测量，从而确保最佳的信号完整性。

图2：半桥主板布局

 

它们还使用高带宽电流感应来进行精确的开关损耗测量。电源子卡的模块化设计使该平台能够评估一系列 SiC 器件，从表面贴装 TOLL 器件到 TO-247 封装。可以预期，模块化设计计划将超越最初推出的半桥主板，并正在开发用于逆变器和电机控制的三相变体等版本。

 

中央板基本上采用半桥配置。它具有用于栅极驱动器卡、电源子卡和可选控制卡的插槽。此外，它还集成了冷却风扇、薄膜和陶瓷直流总线电容器，以及外部电源和信号连接。电流和电压检测也是其设计的一部分。

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定制子卡栅极驱动器板由行业领先的栅极驱动器公司与 Wolfspeed 联合开发，可以促进全系列 SiC MOSFET 的全面测试。栅极驱动器卡在 SiC 器件的分析和优化中发挥着关键作用。由于高 dV/dt 和 di/dt，使用 SiC MOSFET 进行设计通常会带来与布局中的寄生电感和电容相关的独特挑战。此外，栅极驱动器会影响 SiC MOSFET 的开关性能。

栅极驱动器卡

 

分析整个门电路是降低设计过程风险的关键。每个栅极驱动器卡都带有两个隔离式栅极驱动器输出和相应的隔离式偏置电源，以驱动半桥功率子卡。在需要短路保护的应用中，平台中提供的多种栅极驱动器卡都包含此功能。这样可以在开始最终设计之前优化响应时间并验证评估板上的性能。

 

评估平台中的栅极驱动器卡(图 3)有助于分析 SiC 器件的性能。它们为工程师提供了一种测量 QRR 和开关损耗(E ON、E OFF、E RR)等重要因素的方法，有助于了解设备的运行效率。还可以确定 T DELAY-ON、 T DELAY-OFF、 T RISE和 T FALL等时序指标，从而概述不同条件下的器件性能。可以根据应用的工作条件调整栅极电阻，以提供开关损耗和 dV/dt 或 VDS 电压过冲的理想平衡。

 

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评估平台中的电源子卡(图4)设置为半桥。每张卡均包含高侧和低侧 SiC MOSFET，以及使用分流器或 CT 的高带宽电流感测。它们可以配置为在具有高保真电流测量的双脉冲测试中运行，或者在具有强制风冷的连续功率降压或升压转换器中运行。工程师可以自由地使用他们喜欢的栅极驱动器和功能集来测试卡上的器件、进行测量并改进 SiC MOSFET 和栅极驱动器对的性能。

图4电源子卡布局和功能

 

此外，可以通过切换电源子卡来替代 SiC 器件，避免焊接，并保持与直流总线的低电感连接，以获得最佳切换性能。电源子卡可用于 TOLL、TO-263 和 TO-247 MOSFET，单一平台内的DS(ON)设备。SiC 作为 1,200 V 应用的成熟解决方案(横向 GaN 技术在该领域面临挑战)，这些测试规定特别有益。

 

在此处用作示例的评估套件中，可以调整栅极电阻 (RG) 以优化开关行为并评估各种封装类型的高达 1,200 V 的分立 SiC MOSFET。这些评估可以在首选拓扑中完成，例如使用半桥主板的降压或升压转换器。

图5：降压-升压板

该平台还可以在实际操作条件下进行高功率热测试。硬件测试附带全面的模块化 SPICE 模型，使工程师能够将测试结果与仿真进行比较，从而帮助开发设计。

 

此外，SPICE 系统模型还提供了关键寄生元件的估计。这不仅提高了仿真的准确性，还指导工程师控制这些元件，这是使用 SiC MOSFET 时的一个关键方面。最后，还提供可选的降压-升压板，允许在不同功率级别进行特定于应用的测试。定制设计的空芯电感器(图 5b)提供了最大限度减少寄生电容的选项，确保精确的双脉冲测试 (DPT)，这对于优化降压或升压转换器设计至关重要。

 

借助降压-升压滤波器板 (5a)，降压或升压转换器应用可以在此套件上全功率运行。这样可以测量热数据以及转换器效率(图 6)。

 

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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节能转换的需求不断增加，SiC 器件评估在电力电子领域的重要性将继续增长。在这种情况下，功率器件测试不仅仅局限于数据表参数。通过使用 SpeedVal 套件平台进行模块化 SiC 器件评估，工程师可以通过执行关键测试来加快设计周期，而无需为每次测试构建全新的设计而耗时且成本高昂。此外，SpeedVal 套件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该平台的各个部分，从而降低设计风险。

 

通过提供全面的解决方案，模块化设计评估通过包含所有必要的组件(包括栅极驱动器和控制板)来实现全面的功率验证。它允许在硬件启动之前在不同的电压范围内进行测试，并通过其低电感功率环路和电流感应设计简化精确开关测量的过程。重要的是，SiC 测试套件(例如 SpeedVal 套件)的模块化特性允许选择不同的板，以根据特定应用要求定制测试条件。

 

随着行业努力提高效率、缩小尺寸、减轻重量和冷却器设计，SiC 组件的应用将持续增长。为此，SiC 器件评估的模块化方法是实现优化设计的有效策略，在电力电子的未来中发挥着广阔的前景。