綠色倡議持續推動工業、航空航太和國防應用，尤其是運輸行業的電力電子系統設計轉型。碳化矽(SiC)是引領這趨勢的核心技術，可提供多種新功能，不斷推動各種車輛和飛機實現電氣化，進而減少溫室氣體(GHG)排放。
碳化矽解決方案支援以更小、更輕和更高效的電氣方案取代飛機的氣動和液壓系統，為機載交流發電機、傳動裝置(Actuator)和輔助動力裝置(APU)供電。這類解決方案還可以減少相關系統的維護需求。但是，SiC技術最顯著的貢獻，體現在其所肩負實現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1,700V金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)和可配置數位柵極驅動技術的問世，現今的SiC解決方案使設計人員能夠讓這些系統以最少的能源消耗產生最大的生產。
1,700V SiC MOSFET優勢 改用1,700V MOSFET後，SiC技術的功率轉換優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。這類元件支援現今和未來的汽車動力系統，並且正在迅速取代老舊的矽MOSFET和絕緣柵雙極電晶體(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。與矽MOSFET和IGBT相比，這類元件還可以提供更高的系統效率和可靠性，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的尺寸。
現今的1,700V SiC元件可顯著降低開關損耗，其損耗僅僅是矽IGBT的零頭。如此一來，設計人員便能提高開關頻率，並縮小功率轉換器的尺寸。與IGBT不同，這些元件沒有切入電壓(Knee Voltage)，因此對於在輕載條件下運行的運輸APU(用於大部分時間都處於關閉狀態的火車門)等系統來說，導通損耗也較低。絕大多數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。
現今的高壓SiC MOSFET不僅簡化電路拓撲結構並減少了元件數量，還在降低成本的同時提高了可靠性。這類元件具有1,700V阻斷電壓，可縮小功率轉換器的尺寸，並使設計人員能夠用複雜程度更低的二級電路代替三級電路架構。這有助於將元件數量減少一半甚至更多，同時簡化控制邏輯。
SiC MOSFET重要注意事項
在選擇適用於重型運輸車輛和其他數百萬瓦級應用的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於單元電池(也稱為功率電子構件或子模組)的模組化解決方案。
過去，單元電池中使用的功率半導體元件一直是1,200V到1,700V的矽IGBT。與低功率應用十分相似，在單元電池級別部署1,700V SiC MOSFET可以提高其功率處理能力和電氣性能。如前面所述，1,700V SiC MOSFET的開關損耗要低得多，因此可以增加開關頻率並大幅縮小每塊單元電池的尺寸。此外，1,700V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量，最終在降低成本的同時提高系統可靠性。
設計人員還應評估SiC MOSFET本徵體二極體(Intrinsic Body Diode)的穩健性。在施加應力前後的漏-源極導通狀態電阻(RDSon)測試中，元件不應表現出明顯的變化。這點至關重要，對於確保它們在經過數小時的恒定正向電流應力後不會降級。因為元件會傳導反向電流，並在開關週期後對所有剩餘能量進行換向。不同供應商的元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。許多元件表現出某種程度的降級，而另一些甚至可能變得不穩定。若選擇不會降級的SiC MOSFET，則毋須外部反並聯二極體，並可節省相關晶體成本和電源模組的空間。
還可能存在一些潛在、不一致性、不同程度的關於本徵體二極體效能相關的挑戰，具體情況因元件而異，這可以透過使用可配置數位柵極驅動器調整SiC MOSFET的導通參數來解決。這些驅動器還可用於減輕SiC MOSFET更快開關速度的次級效應，包括雜訊和電磁干擾(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。可配置數位柵極驅動技術已成為充分發揮SiC技術能力的關鍵。
解決設計難題同時創造新商機
可配置數位柵極驅動器，專為減輕SiC MOSFET更快開關速度的次級效應而設計。與傳統類比方法相比，除了可將漏-源極電壓(VDS)過衝降低最高達80%之外，它們還可以將開關損耗降低最多50%，並將上市時間縮短多達六個月。這些元件具有最高20A的峰值拉、灌電流能力，並配備帶低電容隔離層的隔離式DC/DC轉換器，可用於脈寬調變訊號和故障回饋。此外，它們還可以在提供獨立短路回應的同時實現穩健的故障監視和檢測，與僅通過適用於正常和短路情況的柵極電阻控制關斷斜率的傳統類比柵極驅動器相比，可實現更精確的MOSFET導通、關斷控制。即使標準類比柵極驅動器調整後可與SiC MOSFET搭配使用，它們也無法提供這些功能。
可配置數位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，並將其重複用於不同的柵極驅動器參數(例如柵極開關設定檔、系統關鍵型監視器和控制器介面設置)，進而顯著縮短開發時間。毋須任何硬體更改即可快速為各種應用客製化柵極驅動器，以縮短從評估到生產的開發時間。在設計過程中，控制參數可以隨時修改，並且設計人員還可以根據應用條件需求和SiC MOSFET的降級情況現場更改開關設定檔。
這些增強開關功能仍在不斷改進。與傳統類比驅動器的單步控制相比，數位柵極驅動現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軟著陸，如同腳踩在防鎖死系統的剎車上。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，並解決過衝、振鈴和關斷能量等變數的問題。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多步導通和關斷控制相結合，進而滿足SiC應用日益增長的需求。
馬達控制就是其中一個例子。如果電壓變化率(dV/dt)過高，馬達的預期使用壽命會因此縮短，維修成本也會相應增高。在更高頻率的馬達面世之前，降低SiC開關速度是解決類比柵極驅動器這一問題的唯一方法，但這會降低效率，只有借助數位柵極驅動器的可配置增強導通功能，才能對dV/dt進行微調，以快速實現最佳的折衷。圖1總結了類比柵極驅動器和新一代數位柵極驅動器之間的區別。
圖1 傳統類比柵極驅動器與兩代可配置數位柵極驅動器技術的比較
SiC完整解決方案
全面的SiC生態系統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核心、模組適配器板、SP6LI低電感電源模組、安裝硬體以及熱敏電阻和直流電壓連接器。應當為可配置軟體提供程式設計工具套件。
模組適配器板尤為重要，它們可讓設計人員快速配置和重複使用柵極驅動器導通/關斷電壓，從而提高靈活性。這適用於許多不同供應商的SiC MOSFET，覆蓋的正負電壓範圍也十分廣泛，毋須任何重新設計。即使SiC MOSFET之前與類比柵極驅動器搭配使用也是如此。只需重新配置數位柵極驅動器，設計人員便可立即將解決方案投入生產。與此同時，可以繼續對柵極驅動器核心和模組適配器板進行組合搭配，並遵循相同的流程加速投入生產，以及利用連接到筆記型電腦的SP6LI低電感電源模組和相橋臂(Phase Leg)立即開始測試。
1,700V SiC MOSFET電源管理解決方案與數位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技術能夠支援這類車輛的功率轉換需求，同時提高效率和可靠性。此外，可配置數位柵極驅動器提供了增強開關功能，有助於加速和簡化從設計到生產的整個流程，同時創造一系列新功能，包括根據應用條件需求或SiC MOSFET的降級情況現場更改開關設定檔。
現今1,700V SiC元件可降低開關損耗，因為沒有切入電壓(Knee Voltage)，對於在輕載條件下運行的運輸APU(大部分時間都處於關閉狀態的火車門)等系統來說，導通損耗較低
將SiC解決方案整合到整個系統解決方案中之後，可以打造出滿足當今和未來需求的動力系統，大幅減小電氣化地鐵和其他重型運輸車輛中的APU尺寸，進而為容納更多付費乘客騰出更多空間。對設計人員來說，最受歡迎的優勢在於可配置數位柵極驅動技術，並用於這些元件後，不再需要將柵極電阻焊接到電路板上來改變行為參數的繁瑣過程。現在，所有這些操作都可以利用按鍵完成，這將有助於更快地實現萬物電氣化。
(本文作者皆任職於Microchip Technology)