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

綠色倡議持續推動(dòng)工業(yè)、航空航天和國防應用，尤其是運輸行業(yè)的電力電子系統設計轉型。碳化硅（SiC）是引領(lǐng)這一趨勢的核心技術(shù)，可提供多種新功能不斷推動(dòng)各種車(chē)輛和飛機實(shí)現電氣化，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的氣動(dòng)和液壓系統，為機載交流發(fā)電機、執行機構和輔助動(dòng)力裝置（APU）供電。這類(lèi)解決方案還可以減少這些系統的維護需求。但是，SiC技術(shù)最顯著(zhù)的貢獻體現在其所肩負實(shí)現商用運輸車(chē)輛電氣化的使命上，這些車(chē)輛是世界上最大的GHG排放源之一。隨著(zhù)1700V金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）和可配置數字柵極驅動(dòng)技術(shù)的問(wèn)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(chǎn)生最大的生產(chǎn)力。

1700V SiC MOSFET的優(yōu)勢

改用1700V MOSFET后，SiC技術(shù)的功率轉換優(yōu)勢已經(jīng)擴展到電動(dòng)商用和重型車(chē)輛以及輕軌牽引和輔助動(dòng)力領(lǐng)域。這類(lèi)器件支持現今和未來(lái)的汽車(chē)動(dòng)力系統，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(mǎn)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(chē)、軌道車(chē)輛、中型和重型卡車(chē)以及充電基礎設施）的高功率和電壓需求。與硅MOSFET和IGBT相比，這類(lèi)器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(dòng)力裝置（APU）和其他關(guān)鍵車(chē)輛系統的尺寸。

現今的1700V SiC器件可顯著(zhù)降低開(kāi)關(guān)損耗，僅有硅IGBT的零頭。這樣，設計人員便能提高開(kāi)關(guān)頻率并縮小功率轉換器的尺寸。與IGBT不同，這些器件沒(méi)有拐點(diǎn)電壓，因此對于在“輕載條件”下運行的運輸APU（用于大部分時(shí)間都處于關(guān)閉狀態(tài)的火車(chē)門(mén)）等系統來(lái)說(shuō)，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(kāi)關(guān)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(jiǎn)化了電路拓撲結構并減少了元件數量，還在降低成本的同時(shí)提高了可靠性。這類(lèi)器件具有1700V阻斷電壓，可縮小功率轉換器的尺寸，并使設計人員能夠用復雜程度更低的二級電路代替三級電路架構。這有助于將器件數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

在選擇適用于重型運輸車(chē)輛和其他數兆瓦級應用的SiC MOSFET時(shí)，設計人員需要考慮幾個(gè)重要因素，其中包括是否使用基于單元電池（也稱(chēng)為電力電子構件或子模塊）的模塊化解決方案。

過(guò)去，單元電池中使用的功率半導體器件一直是1200V到1700V的硅IGBT。與低功率應用十分相似，在單元電池級別部署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(shí)提高系統可靠性。

設計人員還應評估SiC MOSFET的固有體二極管的穩健性。在施加應力前后的漏-源極導通狀態(tài)電阻（R_DSon）測試中，器件不應表現出明顯的變化。這對于確保它們在經(jīng)過(guò)數小時(shí)的恒定正向電流應力后不會(huì )降級至關(guān)重要，因為器件會(huì )傳導反向電流，并在開(kāi)關(guān)周期后對所有剩余能量進(jìn)行換向。不同供應商供應的器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。許多器件表現出至少某種程度的降級，而另一些甚至可能變得不穩定。若選擇不會(huì )降級的SiC MOSFET，則無(wú)需外部反并聯(lián)二極管，并可節省相關(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，具體情況因器件而異。這可以通過(guò)使用可配置數字柵極驅動(dòng)器調整SiC MOSFET的導通參數來(lái)解決。這些驅動(dòng)器還可用于減輕SiC MOSFET更快開(kāi)關(guān)速度的次級效應，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。可配置數字柵極驅動(dòng)技術(shù)已成為充分發(fā)揮SiC技術(shù)能力的關(guān)鍵。

解決設計難題，同時(shí)創(chuàng )造新商機 

可配置數字柵極驅動(dòng)器專(zhuān)為減輕SiC MOSFET更快開(kāi)關(guān)速度的次級效應而設計。與傳統模擬方法相比，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/直流轉換器，可用于脈寬調制信號和故障反饋。此外，它們還可以在提供獨立短路響應的同時(shí)實(shí)現穩健的故障監視和檢測，與僅通過(guò)適用于正常和短路情況的柵極電阻控制關(guān)斷斜坡的傳統模擬柵極驅動(dòng)器相比，可實(shí)現更精確的MOSFET導通/關(guān)斷控制。 即使標準模擬柵極驅動(dòng)器調整后可與SiC MOSFET搭配使用，它們也無(wú)法提供這些功能。

可配置數字柵極驅動(dòng)器還新增了增強開(kāi)關(guān)功能。這使設計人員能夠探索各種配置，并將其重復用于不同的柵極驅動(dòng)器參數（例如柵極開(kāi)關(guān)配置文件、系統關(guān)鍵型監視器和控制器接口設置），從而顯著(zhù)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用定制柵極驅動(dòng)器，從而縮短從評估到生產(chǎn)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。在設計過(guò)程中，控制參數可以隨時(shí)修改，并且設計人員還可以根據應用條件需求和/或SiC MOSFET的降級情況現場(chǎng)更改開(kāi)關(guān)配置文件。

這些增強開(kāi)關(guān)功能仍在不斷改進(jìn)。與傳統模擬驅動(dòng)器的單步控制相比，數字柵極驅動(dòng)現在可提供最多兩個(gè)導通控制步驟，同時(shí)擁有最多三個(gè)關(guān)斷控制級別。這可在關(guān)斷過(guò)程中實(shí)現“軟著(zhù)陸”，如同腳踩在防抱死系統的制動(dòng)器上。添加第四個(gè)短路設置級別可以更精確地控制SiC開(kāi)關(guān)速度的次級效應，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，設計人員能夠將更快的開(kāi)關(guān)和更精細的動(dòng)態(tài)多步導通和關(guān)斷控制相結合，從而滿(mǎn)足SiC應用日益增長(cháng)的需求。

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

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

完整解決方案

全面的SiC生態(tài)系統可滿(mǎn)足從評估一直到生產(chǎn)的各種需求。關(guān)鍵元件包括柵極驅動(dòng)器內核、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。應當為可配置軟件提供編程工具包。

模塊適配器板尤為重要。它們可讓設計人員快速配置和重復使用柵極驅動(dòng)器導通/關(guān)斷電壓，從而提高靈活性。這適用于許多不同供應商的SiC MOSFET，覆蓋的正負電壓范圍也十分廣泛，無(wú)需任何重新設計。即使SiC MOSFET之前與模擬柵極驅動(dòng)器搭配使用也是如此。只需重新配置數字柵極驅動(dòng)器，設計人員便可立即將解決方案投入生產(chǎn)。與此同時(shí)，他們可以繼續對柵極驅動(dòng)器內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)始測試。

1700V SiC MOSFET電源管理解決方案與數字柵極驅動(dòng)技術(shù)的結合已經(jīng)對“萬(wàn)物電氣化”，更具體地說(shuō)，對重型運輸車(chē)輛產(chǎn)生了巨大影響。這種結合使SiC技術(shù)能夠支持這類(lèi)車(chē)輛的功率轉換需求，同時(shí)提高效率和可靠性。此外，可配置數字柵極驅動(dòng)器提供了增強開(kāi)關(guān)功能，有助于加速和簡(jiǎn)化從設計到生產(chǎn)的整個(gè)流程，同時(shí)創(chuàng )造一系列新功能，包括根據應用條件需求和/或SiC MOSFET的降級情況現場(chǎng)更改開(kāi)關(guān)配置文件。

將SiC解決方案整合到整個(gè)系統解決方案中之后，可以打造出滿(mǎn)足當今和未來(lái)需求的動(dòng)力系統，大幅減小電氣化地鐵和其他重型運輸車(chē)輛中的APU尺寸，從而為容納更多付費乘客騰出更多空間。對設計人員來(lái)說(shuō)，最受歡迎的優(yōu)勢之一在于，將可配置數字柵極驅動(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)改變行為參數的繁瑣過(guò)程?，F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“萬(wàn)物電氣化”。