使用SiC技术应对能源基础设施的挑战-德赢Vwin官网网

本文简要回顾了与经典的硅 (Si) 方案相比，SiC技术是如何提高效率和可靠性并降低成本的。然后在介绍 onsemi 的几个实际案例之前，先探讨了 SiC 的封装和系统集成选项，并展示了设计人员该如何最好地应用它们来优化 SiC 功率 MOSFET 和栅极驱动器性能，以应对能源基础设施的挑战。

从电动汽车 (EV)充电站和太阳能逆变器到能源储存和不间断电源系统，能源基础设施的设计人员持续面临着减少碳排放量、提高可靠性和降低成本的挑战。

为了实现这些目标，他们需要仔细研究如何优化其电源转换解决方案，以减少传导和开关损耗，保持良好的热性能，减少整体外形尺寸，并降低电磁干扰 (EMI)。他们还必须确保所选择的解决方案能够满足生产件批准程序 (PPAP)，并符合 AEC-Q101 标准要求。

为了应对这些挑战，设计人员可以转而使用各种碳化硅 (SiC) 功率 MOSFET、SiC肖特基二极管、栅极驱动器 IC 和电源模块。

SiC 与 Si

SiC 是一种宽带隙 (WBG) 材料，其带隙为 3.26 电子伏特 (eV)，而 Si 的带隙为 1.12 eV。与 Si 相比，SiC 提供了 10 倍的击穿场能力，超过 3 倍的导热率，并且可以在更高的温度下工作。这些规格使得 SiC 很适合用于能源基础设施应用（表 1）。

属性	SI	4H-SIC
带隙能量 (eV)	1.12	3.26
电子迁移率 (cm²/Vs)	1,400	900
空穴迁移率 (cm²/Vs)	600	100
击穿电场 (MV/cm)	0.3	3.0
导热率 (W/cm°C)	1.5	4.9
最高结温 (℃)	150	600

表 1：与 Si 相比，4H-SiC 的材料属性使之非常适合用于能源基础设施应用。（图片来源：Onsemi）

更高的击穿电场使得更薄的 SiC 器件具有与更厚的 Si 器件相同的额定电压，而且相应地的是，更薄的 SiC 器件就具有了更低的导通电阻和更高的电流能力。SiC 的迁移率参数与 Si 处于同一数量级，支持紧凑的外形尺寸，这两种材料都可用于高频功率转换。其更高的导热率意味着 SiC 器件在更高的电流水平下温升会更低。SiC 器件的工作温度受限于封装因素，如引线键合，而不是 SiC 材料特性。因此，选择最优封装样式才是设计人员使用 SiC 时重要考虑因素。

SiC 的材料特性使之成为许多高压、高速、大电流和高密度电源转换设计的绝佳选择。在许多情况下，问题不在于是否使用 SiC，而在于什么 SiC 封装技术能提供最佳的性能和成本取舍。

设计人员在使用 SiC 电源技术时有三种基本的封装选择：分立器件、智能电源模块 (IPM) 或电源集成模块 (PIM)，每一种都有一套独特的成本和性能取舍（表 2）。例如：

当成本是一个主要考虑因素时，如消费应用，通常倾向于使用分立器件。此外它们还支持双源，并有很长的使用寿命。

IPM 解决方案减少了设计时间，具有最高的可靠性，是最紧凑的中功率水平解决方案。

与 IPM 相比，PIM 可以支持更高的功率设计，具有更好的功率密度、合理的快速上市速度、广泛的设计选择，以及更多的实现双源的机会。

表 2：在选择分立、IPM 和 PIM SiC 封装解决方案时的集成特性和取舍之比较。（图片来源：Onsemi）

混合 Si/SiC IPM

虽然有可能开发只使用 SiC 器件的解决方案，但有时使用 Si/SiC 混合设计更具有成本效益。例如，onsemi 的 NFL25065L4BT 混合 IPM 在输出端将第四代 Si IGBT与 SiC 升压二极管组合在一起，形成一个交错式功率因数校正(PFC) 输入级，适合用于消费、工业和医疗应用（图 1）。这种紧凑的 IPM 包括了一个经过优化的 IGBT 栅极驱动，以尽可能减少 EMI 和损失。集成的保护功能包括欠压锁定、过流关断、热监控和故障报告。NFL25065L4BT的其他特性包括：

600 伏/50 安培 (A) 两相交错式 PFC

针对 20 千赫 (kHz) 开关频率进行了优化

使用氧化铝直接键合铜 (DBC) 基底实现低热阻

集成用于温度监测的负温度系数 (NTC) 热敏电阻

隔离额定值达 2500 伏均方根(rms)/1 分钟

UL 认证

图 1：NFL25065L4BTIPM 在输出端使用第四代 Si IGBT 与 SiC 升压二极管组成交错式 PFC 级。（图片来源：Onsemi）

SiC PIM

对于太阳能逆变器、电动汽车充电站和类似应用，如果能够使用基于 SiC 的 PIM，通过减少封装和缩小总体积来最大限度地提高功率传输，那么设计人员就可以转而使用 NXH006P120MNF2PTG。该器件包括一个 6 毫欧 (mΩ)、1200 伏的 SiC MOSFET 半桥和一个集成 NTC 热敏电阻，采用 F2 封装（图2）。封装选项包括：

有或没有预涂热界面材料 (TIM)

可焊接引脚或压配引脚

图 2：NXH006P120MNF2PTG集成电源模块采用 F2 封装，带有压配引脚。（图片来源：Onsemi）

这些 PIM 最大工作结温为 175 摄氏度 (°C)，需要外部控制装置和栅极驱动器。可选的压配技术，也称为冷焊接，在引脚和印刷电路板上的电镀通孔之间提供可靠的连接。压配提供了简化的组装方式，无需焊接，可实现气密性、低电阻、金属对金属连接。

SiC 肖特基二极管

SiC肖特基二极管可与 IPM 结合使用，或用于 100% 的分立设计，与 Si 二极管相比，它们具有更好的开关性能和更高的可靠性。像 1700 伏/25 A NDSH25170A 这样的 SiC 肖特基二极管，没有反向恢复电流，具有出色的热性能，以及与温度无关的开关特性。这些可转化为更高的效率、更快的开关频率、更高的功率密度、更低的电磁干扰和更轻松的并联，而所有这些都有助于减少解决方案的尺寸和成本（图 3）。NDSH25170A 的特性包括：

175°C 最大结温

506 毫焦耳 (mJ) 雪崩额定值

最高 220 A 的非重复性浪涌电流，最高66 A 的重复性浪涌电流

正温度系数

无反向恢复，也无正向恢复

AEC-Q101 认证资质/PPAP 能力

图 3：1700 伏/25 A NDSH25170A SiC 肖特基二极管没有反向恢复电流，具有出色的热性能，以及与温度无关的开关特性。（图片来源：Onsemi）

分立式SiC MOSFET

设计人员可以将分立式 SiC 肖特基与onsemi 的 1200 V SiC MOSFET 结合在一起，与 Si 器件相比，SiC MOSFET 还具有优异的开关性能、更低的导通电阻和更高的可靠性。SiC MOSFET 的紧凑芯片尺寸获得了低电容和栅极电荷。较低的电容和栅极电荷加上低导通电阻，有助于提高系统效率，实现更快的开关频率，提高功率密度，降低电磁干扰 (EMI)，并允许更小的解决方案外形尺寸。例如，NTBG040N120SC1 的额定电压为 1200 伏，电流为 60 安，采用 D2PAK−7L 表面贴装封装（图 4）。特性包括：

106 纳库仑 (nC) 典型栅极电荷

139 皮法拉 (pF) 典型输出电容

100% 雪崩测试

175°C 工作结温

AEC-Q101 鉴定

图 4：NTBG040N120SC1 SiC MOSFET 的额定值为 1200 伏/60 A，导通电阻为 40 mΩ，采用D2PAK−*7L *表面贴装封装。（图片来源：Onsemi）

SiC MOSFET 栅极驱动器

用于 SiC MOSFET 的栅极驱动器，如onsemi NCx51705 系列，提供的驱动电压比用于 Si MOSFET 的驱动器高。全导通 SiC MOSFET 需要 18 至20 伏的栅极电压，而导通 Si MOSFET 则需要不到10 伏的电压。此外，SiC MOSFET 在关断时需要 -3至 -5 伏的栅极驱动。设计人员可以使用针对 SiCMOSFET 优化的 NCP51705MNTXG 低压侧、单 6 A 高速驱动器（图 5）。NCP51705MNTXG 提供了最大的额定驱动电压，以实现低传导损耗，并且在导通和关断期间提供高峰值电流，以尽量减少开关损耗。

图 5：简化示意图显示两个 NCP51705MNTXG 驱动器 IC（中右）以半桥拓扑结构驱动两个 SiC MOSFET（右）。（图片来源：Onsemi）

设计人员可以使用集成充电泵来产生用户可选择的负电压轨，以提供更高的可靠性、提升的 dv/dt 抗扰度以及更快的关断速度。在隔离设计中，可以用一个从外部获得的 5 伏电压轨为数字或高速光隔离器的二次侧供电。NCP51705MNTXG 的保护功能包括基于驱动电路结温的热关断，以及偏置电源欠压锁定监控。

评估板和SiC 栅极驱动注意事项

为了加快评估和设计过程，设计人员可以使用 NCP51705SMDGEVB 评估板 (EVB) 来评估 NCP51705（图 6）。该评估板包括一个 NCP51705 驱动器和所有必要的驱动电路，包括一个板载数字隔离器以及能够焊接任何采用 TO−247 封装的 SiC 或 Si MOSFET。该评估板旨在用于任何低压侧或高压侧的电源开关应用。在图腾柱驱动器中可以配置两个或多个这样的评估板。

图 6：NCP51705SMDGEVBEVB 有孔（上左），可连接 SiC 或 Si 功率 MOSFET，且包括 NCP51705 驱动器（U1，中左）和数字隔离器 IC（右中）。（图片来源：Onsemi）

在使用带有 SiC MOSFET 的 NCP51705栅极驱动器时，尽量减少印刷电路板的寄生电感和电容是很重要的（图 7）。印刷电路板布局注意事项：

NCP51705 应尽可能靠近 SiC MOSFET，要特别注意的是 VDD、SVDD、V5V、充电泵和 VEE 电容与 MOSFET 之间的短印制线。

VEE 和 PGND 之间的印制线应尽可能短。

高 dV/dt 印制线与驱动器输入和DESAT 之间需要有隔离，以避免因噪声耦合而导致的异常操作。

对于高温设计，应在裸焊盘和外层之间使用热过孔，以尽量减少热阻。

OUTSRC、OUTSNK 和 VEE 需要使用宽印制线。