碳化硅(SiC)的高性能能力正在改變電力電子的格局，帶來了諸如更高效率、更高功率密度和更好的熱性能等優(yōu)點。尤其是在汽車應用中，SiC技術顯著受益，主要用于主推進、車載充電器和電池充電站。

　　SiC的介電強度是硅的十倍，這使得高壓設備的制造成為可能，以滿足充電基礎設施和智能電網的需求。此外，SiC的高開關頻率使得磁性元件和電感器等組件的物理尺寸得以縮小。

　　然而這只是冰山一角。SiC功率器件在各種應用中嶄露頭角，從電源和電動汽車(BEV)電源轉換用于電池充電和牽引驅動，到工業(yè)電機驅動和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，如太陽能和風能逆變器。

　　然而，要充分利用SiC，需要在設計方法上進行更改，往往導致印刷電路板(PCB)和較少的二次組件(如冷卻器和晶體管)發(fā)生重大變化，這降低了成本并節(jié)省了空間。因此，適應這些變化的設計評估工具，能夠快速、精確地測試新設計并仔細評估設備的可靠性，是必不可少的。

圖1

　　模塊化設計的生態(tài)系統(tǒng)

　　本質上，模塊化設計是一種工具包，提供一個積木生態(tài)系統(tǒng)，以簡化SiC器件評估過程。它促進了對各種SiC產品在表面貼裝和通孔封裝中的快速、全面的系統(tǒng)級測試。這個工具包的核心目標是簡化并加速工程師、設計師和制造商的設計過程。它允許在實際硬件設計開始之前，同時測試和優(yōu)化MOSFET和預期的柵極驅動器。工程師可以一次性建立并評估控制器、柵極驅動器、磁性元件和SiC器件，而不是單獨設計每個系統(tǒng)。

　　評估平臺由主電路板、電源模塊、柵極驅動模塊和一個可選的控制模塊組成，以及其他潛在的附加組件。設計人員可以通過“插入”方式測試各種離散器件，最高可達1200V，并配合各種廠商的柵極驅動選項。為了有效應對，這樣的平臺應適應廣泛的電壓范圍、封裝樣式和功率拓撲，使其適用于大多數應用。這允許通過基于計算機的圖形用戶界面設置各種測試模式的參數，如雙脈沖或降壓或升壓功率測試，消除了外部函數發(fā)生器或控制器生成PWM的需求。這樣，固件工程師可以在真實的高壓/高功率設計上開發(fā)和測試自定義固件，而不僅僅是在低壓控制器開發(fā)板上。讓我們仔細看看各個組件。

　　主板

　　我們示例中的主板(圖2)具有低電感布局，并具有螺釘端子電源連接，以實現SiC器件的高效測試。為每個器件包量身定制的電源子卡使用同軸連接器進行VGS和VDS測量，從而確保最佳的信號完整性。它們還使用高帶寬電流傳感器進行精確的開關損耗測量。電源子卡的模塊化設計允許平臺評估各種SiC器件，從表面貼裝TOLL器件到TO-247封裝。可以預期，模塊化設計計劃將擴展到最初引入的半橋主板之外，未來可能會有用于逆變器和電機控制的三相變體。

圖2

　　中央板基本上設置為半橋配置。它具有柵極驅動卡、電源子卡和可選控制卡的插槽。此外，它還包括一個冷卻風扇、薄膜和陶瓷直流母線電容器，以及外部電源和信號連接。其設計中還包括電流和電壓感應。

　　MOSFET和柵極驅動器測試 - 在硬件設計開始前

　　定制的子卡柵極驅動板由業(yè)界領先的柵極驅動公司與Wolfspeed聯(lián)合開發(fā)，可以對整個SiC MOSFET系列進行全面測試。柵極驅動卡在SiC器件的分析和優(yōu)化中發(fā)揮著關鍵作用。在設計SiC MOSFET時，由于高dV/dt和di/dt，布局中的寄生電感和電容往往帶來獨特的挑戰(zhàn)。此外，柵極驅動器會影響SiC MOSFET的開關性能。

　　分析整個柵極電路是降低設計風險的關鍵。每個柵極驅動卡具有兩個隔離的柵極驅動輸出和相應的隔離偏置電源，以驅動半橋電源子卡。在需要短路保護的應用中，平臺中可用的幾款柵極驅動卡包含此功能。這允許在最終設計開始之前，在評估板上優(yōu)化響應時間并驗證性能。

圖3

　　評估平臺中的柵極驅動卡(圖3)在分析SiC器件的性能方面起著重要作用。它們?yōu)楣こ處熖峁┝藴y量諸如QRR和開關損耗(EON, EOFF, ERR)等關鍵因素的方法，從而幫助理解器件的工作效率。還可以確定如TDELAY-ON、TDELAY-OFF、TRISE和TFALL等時間指標，提供不同條件下器件性能的概述。柵極電阻可以進行調諧，以在開關損耗與dV/dt或VDS電壓過沖之間提供理想的平衡，基于應用的工作條件進行優(yōu)化。

　　電源子卡：測試廣泛的SiC MOSFET

　　評估平臺中的電源子卡(圖4)設置為半橋配置。每張卡包括高側和低側SiC MOSFET，以及使用分流器或CT進行的高帶寬電流傳感器。它們可以配置為高保真電流測量的雙脈沖測試，或在強制空氣冷卻的連續(xù)功率降壓或升壓轉換器中運行。工程師可以自由選擇自己的柵極驅動器和功能集在卡上測試設備，進行測量并優(yōu)化SiC MOSFET和柵極驅動器的性能。此外，通過切換電源子卡，可以替換SiC器件，避免焊接，并保持與直流母線的低電感連接，以實現最佳開關性能。電源子卡適用于TOLL、TO-263和TO-247 MOSFET，允許用戶在單個平臺上評估不同封裝、電壓等級和RDS(ON)器件。由于SiC是1200V應用的成熟解決方案，而橫向GaN技術在此領域面臨挑戰(zhàn)，這些測試規(guī)定特別有利。

　　在實際操作條件下進行高功率熱測試

　　在此示例中使用的評估套件中，可以調整柵極電阻(RG)以優(yōu)化開關行為，并評估最高1200V的各種封裝類型的離散SiC MOSFET。這些評估可以在首選拓撲如半橋主板的降壓或升壓轉換器中進行。該平臺還允許在實際操作條件下進行高功率熱測試。一個綜合的模塊化SPICE模型伴隨硬件測試，使工程師能夠將測試結果與模擬結果進行比較，幫助設計開發(fā)。

圖5a

圖5b

　　此外，SPICE系統(tǒng)模型提供了關鍵寄生元素的估算。這不僅提高了模擬的準確性，還指導工程師控制這些元素，這是在使用SiC MOSFET時的關鍵方面。最后，一個可選的降壓升壓板可用，允許在不同功率水平下進行特定應用的測試。定制設計的空心電感器(圖5b)提供了最小化寄生電容的選項，確保精確的雙脈沖測試(DPT)，對于優(yōu)化降壓或升壓轉換器設計至關重要。

　　通過降壓升壓濾波板(圖5a)，可以在此套件上全功率運行降壓或升壓轉換器應用。這允許測量熱數據以及轉換器效率(圖6)。

圖6

　　SiC器件評估的要點

　　隨著從電動汽車到太陽能和數據中心等許多行業(yè)對最高功率密度下的高效能轉換需求的增加，SiC器件評估在電力電子中的重要性將繼續(xù)增長。在這種情況下，功率器件測試不僅限于數據表參數。使用SpeedVal Kit平臺的模塊化SiC器件評估，工程師可以通過進行關鍵測試來加速設計周期，而無需為每次測試構建全新的設計，既耗時又昂貴。此外，SpeedVal Kit的所有設計文件均可用，允許工程師在自己的設計中重復使用平臺的部分內容，降低設計風險。

　　通過提供全面的解決方案，模塊化設計評估包含了所有必要組件，包括柵極驅動器和控制板，實現了完整的功率驗證。它允許在硬件開始之前進行測試，并在不同電壓范圍內進行測試，通過其低電感功率回路和電流感應設計簡化了準確開關測量的過程。重要的是，SiC測試套件如SpeedVal Kit的模塊化特性允許選擇不同的板，根據特定應用需求定制測試條件。

　　隨著行業(yè)追求更高效率、更小尺寸、更輕重量和更冷卻設計，SiC組件的應用將繼續(xù)增長。為此，模塊化SiC器件評估方法是一種實現優(yōu)化設計的有效策略，在電力電子的未來中扮演著重要角色。

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