要降本增效還要更可靠！能源基礎(chǔ)設(shè)施升級靠它們了！

本文簡要回顧了與經(jīng)典的硅 (Si) 方案相比，SiC技術(shù)是如何提高效率和可靠性并降低成本的。然后在介紹 onsemi 的幾個實(shí)際案例之前，先探討了 SiC 的封裝和系統(tǒng)集成選項(xiàng)，并展示了設(shè)計(jì)人員該如何最好地應(yīng)用它們來優(yōu)化 SiC 功率 MOSFET 和柵極驅(qū)動器性能，以應(yīng)對能源基礎(chǔ)設(shè)施的挑戰(zhàn)。

從電動汽車 (EV) 充電站和太陽能逆變器到能源儲存和不間斷電源系統(tǒng)，能源基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)人員持續(xù)面臨著減少碳排放量、提高可靠性和降低成本的挑戰(zhàn)。
為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，他們需要仔細(xì)研究如何 優(yōu)化其電源轉(zhuǎn)換解決方案，以減少傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，保持良好的熱性能，減少整體外形尺寸，并降低電磁干擾 (EMI)。 他們還必須確保所選擇的解決方案能夠滿足生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序 (PPAP)，并符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)要求。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)而使用各種 碳化硅 (SiC) 功率 MOSFET、SiC肖特基二極管、柵極驅(qū)動器 IC 和電源模塊。SiC 與 SiSiC 是一種寬帶隙 (WBG) 材料 ，其帶隙為 3.26 電子伏特 (eV)，而 Si 的帶隙為 1.12 eV。與 Si 相比，SiC 提供了 10 倍的擊穿場能力，超過 3 倍的導(dǎo)熱率，并且可以在更高的溫度下工作。這些規(guī)格使得 SiC 很適合用于能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用（表 1） 。

表 1：與 Si 相比，4H-SiC 的材料屬性使之非常適合用于能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用。（圖片來源：Onsemi）更高的擊穿電場 使得更薄的 SiC 器件具有與更厚的 Si 器件相同的額定電壓，而且相應(yīng)地的是，更薄的 SiC 器件就具有了 更低的導(dǎo)通電阻和更高的電流能力。 SiC 的遷移率參數(shù)與 Si 處于同一數(shù)量級，支持緊湊的外形尺寸，這兩種材料都可用于高頻功率轉(zhuǎn)換。其 更高的導(dǎo)熱率 意味著 SiC 器件在更高的電流水平下溫升會更低。SiC 器件的工作溫度受限于封裝因素，如引線鍵合，而不是 SiC 材料特性。因此，選擇最優(yōu)封裝樣式才是設(shè)計(jì)人員使用 SiC 時重要考慮因素。SiC 的材料特性使之成為許多高壓、高速、大電流和高密度電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的絕佳選擇。 在許多情況下，問題不在于是否使用 SiC，而在于什么 SiC 封裝技術(shù)能提供最佳的性能和成本取舍。設(shè)計(jì)人員在 使用 SiC 電源技術(shù)時有三種基本的封裝選擇：分立器件、智能電源模塊 (IPM) 或電源集成模塊 (PIM) ，每一種都有一套獨(dú)特的成本和性能取舍（表 2）。例如：

• 當(dāng)成本是一個主要考慮因素時，如消費(fèi)應(yīng)用，通常傾向于使用分立器件。此外它們還支持雙源，并有很長的使用壽命。

• IPM 解決方案減少了設(shè)計(jì)時間，具有最高的可靠性，是最緊湊的中功率水平解決方案。

• 與 IPM 相比，PIM 可以支持更高的功率設(shè)計(jì)，具有更好的功率密度、合理的快速上市速度、廣泛的設(shè)計(jì)選擇，以及更多的實(shí)現(xiàn)雙源的機(jī)會。

表 2：在選擇分立、IPM 和 PIM SiC 封裝解決方案時的集成特性和取舍之比較。（圖片來源：Onsemi）

混合 Si/SiC IPM

雖然有可能開發(fā)只使用 SiC 器件的解決方案，但 有時使用 Si/SiC 混合設(shè)計(jì)更具有成本效益 。例如，onsemi 的 NFL25065L4BT 混合 IPM 在輸出端將第四代 Si IGBT與 SiC 升壓二極管組合在一起，形成一個交錯式功率因數(shù)校正(PFC) 輸入級，適合用于消費(fèi)、工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用（圖 1） 。這種緊湊的 IPM 包括了一個經(jīng)過優(yōu)化的 IGBT 柵極驅(qū)動，以盡可能減少 EMI 和損失。集成的保護(hù)功能包括欠壓鎖定、過流關(guān)斷、熱監(jiān)控和故障報(bào)告。NFL25065L4BT的其他特性包括：

• 600 伏/50 安培 (A) 兩相交錯式 PFC

• 針對 20 千赫 (kHz) 開關(guān)頻率進(jìn)行了優(yōu)化

• 使用氧化鋁直接鍵合銅 (DBC) 基底實(shí)現(xiàn)低熱阻

• 集成用于溫度監(jiān)測的負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻

• 隔離額定值達(dá) 2500 伏均方根(rms)/1 分鐘

• UL 認(rèn)證

圖 1：NFL25065L4BT IPM 在輸出端使用第四代 Si IGBT 與 SiC 升壓二極管組成交錯式 PFC 級。（圖片來源：Onsemi）

SiC PIM

對于太陽能逆變器、電動汽車充電站和類似應(yīng)用，如果能夠使用基于 SiC 的 PIM ，通過減少封裝和縮小總體積來最大限度地提高功率傳輸，那么設(shè)計(jì)人員就可以轉(zhuǎn)而使用 NXH006P120MNF2PTG 。該器件包括一個 6 毫歐 (mΩ)、1200 伏的 SiC MOSFET 半橋和一個集成 NTC 熱敏電阻，采用 F2 封裝（圖2）。封裝選項(xiàng)包括：

• 有或沒有預(yù)涂熱界面材料 (TIM)

• 可焊接引腳或壓配引腳

圖 2：NXH006P120MNF2PTG集成電源模塊采用 F2 封裝，帶有壓配引腳。（圖片來源：Onsemi）這些 PIM 最大工作結(jié)溫為 175 攝氏度 (°C)，需要外部控制裝置和柵極驅(qū)動器。可選的壓配技術(shù)，也稱為冷焊接，在引腳和印刷電路板上的電鍍通孔之間提供可靠的連接。壓配提供了簡化的組裝方式，無需焊接，可實(shí)現(xiàn)氣密性、低電阻、金屬對金屬連接。SiC 肖特基二極管SiC肖特基二極管 可與 IPM 結(jié)合使用，或用于 100% 的分立設(shè)計(jì)， 與 Si 二極管相比，它們具有更好的開關(guān)性能和更高的可靠性。 像 1700 伏/25 A NDSH25170A 這樣的 SiC 肖特基二極管，沒有反向恢復(fù)電流，具有出色的熱性能，以及與溫度無關(guān)的開關(guān)特性。這些可轉(zhuǎn)化為更高的效率、更快的開關(guān)頻率、更高的功率密度、更低的電磁干擾和更輕松的并聯(lián)，而所有這些都有助于減少解決方案的尺寸和成本（圖 3）。NDSH25170A 的特性包括：

• 175°C 最大結(jié)溫

• 506 毫焦耳 (mJ) 雪崩額定值

• 最高 220 A 的非重復(fù)性浪涌電流，最高66 A 的重復(fù)性浪涌電流

• 正溫度系數(shù)

• 無反向恢復(fù)，也無正向恢復(fù)

• AEC-Q101 認(rèn)證資質(zhì)/PPAP 能力

圖 3：1700 伏/25 A NDSH25170A SiC 肖特基二極管沒有反向恢復(fù)電流，具有出色的熱性能，以及與溫度無關(guān)的開關(guān)特性。（圖片來源：Onsemi）

分立式SiC MOSFET

設(shè)計(jì)人員可以將分立式 SiC 肖特基與onsemi 的 1200 V SiC MOSFET 結(jié)合在一起， 與 Si 器件相比，SiC MOSFET 還具有優(yōu)異的開關(guān)性能、更低的導(dǎo)通電阻和更高的可靠性 。 SiC MOSFET 的緊湊芯片尺寸獲得了低電容和柵極電荷。較低的電容和柵極電荷加上低導(dǎo)通電阻，有助于提高系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)頻率，提高功率密度，降低電磁干擾 (EMI)，并允許更小的解決方案外形尺寸。例如， NTBG040N120SC1 的額定電壓為 1200 伏，電流為 60 安，采用 D2PAK ? 7L 表面貼裝封裝（圖 4）。特性包括：

• 106 納庫侖 (nC) 典型柵極電荷

• 139 皮法拉 (pF) 典型輸出電容

• 100% 雪崩測試

• 175°C 工作結(jié)溫

• AEC-Q101 鑒定

圖 4：NTBG040N120SC1 SiC MOSFET 的額定值為 1200 伏/60 A，導(dǎo)通電阻為 40 mΩ，采用D2PAK ? 7L 表面貼裝封裝。（圖片來源：Onsemi）

SiC MOSFET 柵極驅(qū)動器

用于 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動器，如onsemi NCx51705 系列，提供的驅(qū)動電壓比用于 Si MOSFET 的驅(qū)動器高。全導(dǎo)通 SiC MOSFET 需要 18 至20 伏的柵極電壓，而導(dǎo)通 Si MOSFET 則需要不到10 伏的電壓。此外，SiC MOSFET 在關(guān)斷時需要 -3至 -5 伏的柵極驅(qū)動。設(shè)計(jì)人員可以使用針對 SiC MOSFET 優(yōu)化的 NCP51705MNTXG 低壓側(cè)、單 6 A 高速驅(qū)動器（圖 5）。NCP51705MNTXG 提供了最大的額定驅(qū)動電壓，以實(shí)現(xiàn) 低傳導(dǎo)損耗 ，并且在導(dǎo)通和關(guān)斷期間提供 高峰值電流 ，以盡量 減少開關(guān)損耗 。圖 5：簡化示意圖顯示兩個 NCP51705MNTXG 驅(qū)動器 IC（中右）以半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)驅(qū)動兩個 SiC MOSFET（右）。（圖片來源：Onsemi）設(shè)計(jì)人員可以使用集成充電泵來產(chǎn)生用戶可選擇的負(fù)電壓軌，以提供更高的 可靠性、提升的 dv/dt 抗擾度以及更快的關(guān)斷速度。在隔離設(shè)計(jì)中，可以用一個從外部獲得的 5 伏電壓軌為數(shù)字或高速光隔離器的二次側(cè)供電。NCP51705MNTXG 的保護(hù)功能包括基于驅(qū)動電路結(jié)溫的熱關(guān)斷，以及偏置電源欠壓鎖定監(jiān)控。

評估板和SiC 柵極驅(qū)動注意事項(xiàng)

為了加快評估和設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)人員可以使用 NCP51705SMDGEVB 評估板 (EVB) 來評估 NCP51705（圖 6）。該評估板包括一個 NCP51705 驅(qū)動器和所有必要的驅(qū)動電路，包括一個板載數(shù)字隔離器以及能夠焊接任何采用 TO ? 247 封裝的 SiC 或 Si MOSFET。 該評估板旨在用于任何低壓側(cè)或高壓側(cè)的電源開關(guān)應(yīng)用 。在圖騰柱驅(qū)動器中可以配置兩個或多個這樣的評估板。圖 6：NCP51705SMDGEVB EVB 有孔（上左），可連接 SiC 或 Si 功率 MOSFET，且包括 NCP51705 驅(qū)動器（U1，中左）和數(shù)字隔離器 IC（右中）。（圖片來源：Onsemi）在使用帶有 SiC MOSFET 的 NCP51705柵極驅(qū)動器時，盡量減少印刷電路板的寄生電感和電容是很重要的（圖 7）。印刷電路板布局注意事項(xiàng)：

• NCP51705 應(yīng)盡可能靠近 SiC MOSFET，要特別注意的是 VDD、SVDD、V5V、充電泵和 VEE 電容與 MOSFET 之間的短印制線。

• VEE 和 PGND 之間的印制線應(yīng)盡可能短。

• 高 dV/dt 印制線與驅(qū)動器輸入和DESAT 之間需要有隔離，以避免因噪聲耦合而導(dǎo)致的異常操作。

• 對于高溫設(shè)計(jì)，應(yīng)在裸焊盤和外層之間使用熱過孔，以盡量減少熱阻。

• OUTSRC、OUTSNK 和 VEE 需要使用寬印制線。

圖 7：NCP51705的推薦印刷電路板布局，可最大程度地減少驅(qū)動 SiC MOSFET 的寄生電感和電容。（圖片來源：Onsemi）

 總結(jié)

SiC 在幫助設(shè)計(jì)人員滿足數(shù)量和種類日益增長的能源基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的需求方面發(fā)揮著重要作用。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用 SiC 器件設(shè)計(jì)更有效的高壓、高速、大電流電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，從而獲得更小的解決方案尺寸和更高的功率密度。但是 為了讓 SiC 設(shè)計(jì)獲得最大收益，選擇最佳的封裝方式是很重要的 。如上所述，在分立器件、IPM 和 PIM 之間進(jìn)行選擇時，需要考慮一系列的性能、上市速度和成本權(quán)衡。此外，在使用分立器件或 PIM 時，為了實(shí)現(xiàn)可靠和高效的系統(tǒng)性能，SiC 柵極驅(qū)動器的選擇和最佳的印刷電路板布局也至關(guān)重要。