快消息！碳化硅（SiC）電源管理解決方案搭配可配置數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物電氣化”

Microchip Technology Inc.

Nitesh Satheesh/Tomas Krecek/Perry Schugart/Xuning Zhang/Kevin Speer

(相關(guān)資料圖)

綠色倡議持續(xù)推動(dòng)工業(yè)、航空航天和國(guó)防應(yīng)用，尤其是運(yùn)輸行業(yè)的電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型。碳化硅（SiC）是引領(lǐng)這一趨勢(shì)的核心技術(shù)，可提供多種新功能不斷推動(dòng)各種車輛和飛機(jī)實(shí)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(jī)的氣動(dòng)和液壓系統(tǒng)，為機(jī)載交流發(fā)電機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助動(dòng)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(hù)需求。但是，SiC技術(shù)最顯著的貢獻(xiàn)體現(xiàn)在其所肩負(fù)實(shí)現(xiàn)商用運(yùn)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(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和可配置數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)的問(wèn)世，現(xiàn)今的SiC解決方案使設(shè)計(jì)人員能夠讓這些系統(tǒng)以最少的能源消耗產(chǎn)生最大的生產(chǎn)力。

1700V SiC MOSFET的優(yōu)勢(shì)

改用1700V MOSFET后，SiC技術(shù)的功率轉(zhuǎn)換優(yōu)勢(shì)已經(jīng)擴(kuò)展到電動(dòng)商用和重型車輛以及輕軌牽引和輔助動(dòng)力領(lǐng)域。這類器件支持現(xiàn)今和未來(lái)的汽車動(dòng)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(dāng)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(chǔ)設(shè)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(shè)計(jì)人員能夠縮小輔助動(dòng)力裝置（APU）和其他關(guān)鍵車輛系統(tǒng)的尺寸。

現(xiàn)今的1700V SiC器件可顯著降低開(kāi)關(guān)損耗，僅有硅IGBT的零頭。這樣，設(shè)計(jì)人員便能提高開(kāi)關(guān)頻率并縮小功率轉(zhuǎn)換器的尺寸。與IGBT不同，這些器件沒(méi)有拐點(diǎn)電壓，因此對(duì)于在“輕載條件”下運(yùn)行的運(yùn)輸APU（用于大部分時(shí)間都處于關(guān)閉狀態(tài)的火車門）等系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，導(dǎo)通損耗也較低。絕大多數(shù)應(yīng)用在其大部分使用壽命期間都在輕載條件下運(yùn)行，因此設(shè)計(jì)人員可以利用SiC MOSFET的低開(kāi)關(guān)和導(dǎo)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(jiǎn)化了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并減少了元件數(shù)量，還在降低成本的同時(shí)提高了可靠性。這類器件具有1700V阻斷電壓，可縮小功率轉(zhuǎn)換器的尺寸，并使設(shè)計(jì)人員能夠用復(fù)雜程度更低的二級(jí)電路代替三級(jí)電路架構(gòu)。這有助于將器件數(shù)量減少一半甚至更多，同時(shí)簡(jiǎn)化控制邏輯。

SiC MOSFET的重要注意事項(xiàng)

在選擇適用于重型運(yùn)輸車輛和其他數(shù)兆瓦級(jí)應(yīng)用的SiC MOSFET時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要考慮幾個(gè)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(gòu)件或子模塊）的模塊化解決方案。

過(guò)去，單元電池中使用的功率半導(dǎo)體器件一直是1200V到1700V的硅IGBT。與低功率應(yīng)用十分相似，在單元電池級(jí)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(kāi)關(guān)損耗要低得多，因此可以增加開(kāi)關(guān)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(dá)到相同直流鏈路電壓所需的單元電池?cái)?shù)量，最終在降低成本的同時(shí)提高系統(tǒng)可靠性。

設(shè)計(jì)人員還應(yīng)評(píng)估SiC MOSFET的固有體二極管的穩(wěn)健性。在施加應(yīng)力前后的漏-源極導(dǎo)通狀態(tài)電阻（R_DSon）測(cè)試中，器件不應(yīng)表現(xiàn)出明顯的變化。這對(duì)于確保它們?cè)诮?jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)的恒定正向電流應(yīng)力后不會(huì)降級(jí)至關(guān)重要，因?yàn)槠骷?huì)傳導(dǎo)反向電流，并在開(kāi)關(guān)周期后對(duì)所有剩余能量進(jìn)行換向。不同供應(yīng)商供應(yīng)的器件之間存在很大的差異，因此設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)檢查SiC MOSFET測(cè)試結(jié)果。許多器件表現(xiàn)出至少某種程度的降級(jí)，而另一些甚至可能變得不穩(wěn)定。若選擇不會(huì)降級(jí)的SiC MOSFET，則無(wú)需外部反并聯(lián)二極管，并可節(jié)省相關(guān)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(guān)的挑戰(zhàn)，具體情況因器件而異。這可以通過(guò)使用可配置數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器調(diào)整SiC MOSFET的導(dǎo)通參數(shù)來(lái)解決。這些驅(qū)動(dòng)器還可用于減輕SiC MOSFET更快開(kāi)關(guān)速度的次級(jí)效應(yīng)，包括噪聲和電磁干擾（EMI），以及由寄生電感和過(guò)熱引起的有限短路耐受時(shí)間和過(guò)壓?？膳渲脭?shù)字柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)已成為充分發(fā)揮SiC技術(shù)能力的關(guān)鍵。

解決設(shè)計(jì)難題，同時(shí)創(chuàng)造新商機(jī)

可配置數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器專為減輕SiC MOSFET更快開(kāi)關(guān)速度的次級(jí)效應(yīng)而設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)模擬方法相比，除了可將漏-源極電壓（V_DS）過(guò)沖降低最高達(dá)80%之外，它們還可以將開(kāi)關(guān)損耗降低最多50%，并將上市時(shí)間縮短多達(dá)六個(gè)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(zhuǎn)換器，可用于脈寬調(diào)制信號(hào)和故障反饋。此外，它們還可以在提供獨(dú)立短路響應(yīng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的故障監(jiān)視和檢測(cè)，與僅通過(guò)適用于正常和短路情況的柵極電阻控制關(guān)斷斜坡的傳統(tǒng)模擬柵極驅(qū)動(dòng)器相比，可實(shí)現(xiàn)更精確的MOSFET導(dǎo)通/關(guān)斷控制。 即使標(biāo)準(zhǔn)模擬柵極驅(qū)動(dòng)器調(diào)整后可與SiC MOSFET搭配使用，它們也無(wú)法提供這些功能。

可配置數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器還新增了增強(qiáng)開(kāi)關(guān)功能。這使設(shè)計(jì)人員能夠探索各種配置，并將其重復(fù)用于不同的柵極驅(qū)動(dòng)器參數(shù)（例如柵極開(kāi)關(guān)配置文件、系統(tǒng)關(guān)鍵型監(jiān)視器和控制器接口設(shè)置），從而顯著縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。無(wú)需任何硬件更改即可快速為各種應(yīng)用定制柵極驅(qū)動(dòng)器，從而縮短從評(píng)估到生產(chǎn)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，控制參數(shù)可以隨時(shí)修改，并且設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)應(yīng)用條件需求和/或SiC MOSFET的降級(jí)情況現(xiàn)場(chǎng)更改開(kāi)關(guān)配置文件。

這些增強(qiáng)開(kāi)關(guān)功能仍在不斷改進(jìn)。與傳統(tǒng)模擬驅(qū)動(dòng)器的單步控制相比，數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)現(xiàn)在可提供最多兩個(gè)導(dǎo)通控制步驟，同時(shí)擁有最多三個(gè)關(guān)斷控制級(jí)別。這可在關(guān)斷過(guò)程中實(shí)現(xiàn)“軟著陸”，如同腳踩在防抱死系統(tǒng)的制動(dòng)器上。添加第四個(gè)短路設(shè)置級(jí)別可以更精確地控制SiC開(kāi)關(guān)速度的次級(jí)效應(yīng)，并解決過(guò)沖、振鈴和關(guān)斷能量等變量的問(wèn)題。利用這些功能，設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒏斓拈_(kāi)關(guān)和更精細(xì)的動(dòng)態(tài)多步導(dǎo)通和關(guān)斷控制相結(jié)合，從而滿足SiC應(yīng)用日益增長(zhǎng)的需求。

電機(jī)控制就是其中一個(gè)例子。如果電壓變化率（dV/dt）過(guò)高，電機(jī)的預(yù)期使用壽命會(huì)因此縮短，保修成本也會(huì)相應(yīng)增高。在更高頻率的電機(jī)面世之前，降低SiC開(kāi)關(guān)速度是解決模擬柵極驅(qū)動(dòng)器的這一問(wèn)題的惟一方法，但這會(huì)降低效率。只有借助數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器的可配置增強(qiáng)導(dǎo)通功能，才能對(duì)dV/dt進(jìn)行微調(diào)，以快速實(shí)現(xiàn)最佳的折衷。圖1總結(jié)了模擬柵極驅(qū)動(dòng)器和新一代數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器之間的區(qū)別。

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

完整解決方案

全面的SiC生態(tài)系統(tǒng)可滿足從評(píng)估一直到生產(chǎn)的各種需求。關(guān)鍵元件包括柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)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(yīng)當(dāng)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(shè)計(jì)人員快速配置和重復(fù)使用柵極驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通/關(guān)斷電壓，從而提高靈活性。這適用于許多不同供應(yīng)商的SiC MOSFET，覆蓋的正負(fù)電壓范圍也十分廣泛，無(wú)需任何重新設(shè)計(jì)。即使SiC MOSFET之前與模擬柵極驅(qū)動(dòng)器搭配使用也是如此。只需重新配置數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)人員便可立即將解決方案投入生產(chǎn)。與此同時(shí)，他們可以繼續(xù)對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)核和模塊適配器板進(jìn)行組合搭配，并遵循相同的流程加速投入生產(chǎn)。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(kāi)始測(cè)試。

1700V SiC MOSFET電源管理解決方案與數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)對(duì)“萬(wàn)物電氣化”，更具體地說(shuō)，對(duì)重型運(yùn)輸車輛產(chǎn)生了巨大影響。這種結(jié)合使SiC技術(shù)能夠支持這類車輛的功率轉(zhuǎn)換需求，同時(shí)提高效率和可靠性。此外，可配置數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)器提供了增強(qiáng)開(kāi)關(guān)功能，有助于加速和簡(jiǎn)化從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的整個(gè)流程，同時(shí)創(chuàng)造一系列新功能，包括根據(jù)應(yīng)用條件需求和/或SiC MOSFET的降級(jí)情況現(xiàn)場(chǎng)更改開(kāi)關(guān)配置文件。

將SiC解決方案整合到整個(gè)系統(tǒng)解決方案中之后，可以打造出滿足當(dāng)今和未來(lái)需求的動(dòng)力系統(tǒng)，大幅減小電氣化地鐵和其他重型運(yùn)輸車輛中的APU尺寸，從而為容納更多付費(fèi)乘客騰出更多空間。對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，最受歡迎的優(yōu)勢(shì)之一在于，將可配置數(shù)字柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于這些器件后，不再需要將柵極電阻焊接到電路板上來(lái)改變行為參數(shù)的繁瑣過(guò)程?，F(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(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物電氣化”。

關(guān)鍵詞： 設(shè)計(jì)人員 解決方案 柵極驅(qū)動(dòng) 單元電池 開(kāi)關(guān)速度