要降本增效還要更可靠！能源基礎設施升級靠它們了！

本文簡要回顧了與經典的硅 (Si) 方案相比，SiC技術是如何提高效率和可靠性并降低成本的。然后在介紹 onsemi 的幾個實際案例之前，先探討了 SiC 的封裝和系統(tǒng)集成選項，并展示了設計人員該如何最好地應用它們來優(yōu)化 SiC 功率 MOSFET 和柵極驅動器性能，以應對能源基礎設施的挑戰(zhàn)。

從電動汽車 (EV) 充電站和太陽能逆變器到能源儲存和不間斷電源系統(tǒng)，能源基礎設施的設計人員持續(xù)面臨著減少碳排放量、提高可靠性和降低成本的挑戰(zhàn)。
為了實現這些目標，他們需要仔細研究如何 優(yōu)化其電源轉換解決方案，以減少傳導和開關損耗，保持良好的熱性能，減少整體外形尺寸，并降低電磁干擾 (EMI)。 他們還必須確保所選擇的解決方案能夠滿足生產件批準程序 (PPAP)，并符合 AEC-Q101 標準要求。為了應對這些挑戰(zhàn)，設計人員可以轉而使用各種 碳化硅 (SiC) 功率 MOSFET、SiC肖特基二極管、柵極驅動器 IC 和電源模塊。SiC 與 SiSiC 是一種寬帶隙 (WBG) 材料 ，其帶隙為 3.26 電子伏特 (eV)，而 Si 的帶隙為 1.12 eV。與 Si 相比，SiC 提供了 10 倍的擊穿場能力，超過 3 倍的導熱率，并且可以在更高的溫度下工作。這些規(guī)格使得 SiC 很適合用于能源基礎設施應用（表 1） 。

表 1：與 Si 相比，4H-SiC 的材料屬性使之非常適合用于能源基礎設施應用。（圖片來源：Onsemi）更高的擊穿電場 使得更薄的 SiC 器件具有與更厚的 Si 器件相同的額定電壓，而且相應地的是，更薄的 SiC 器件就具有了 更低的導通電阻和更高的電流能力。 SiC 的遷移率參數與 Si 處于同一數量級，支持緊湊的外形尺寸，這兩種材料都可用于高頻功率轉換。其 更高的導熱率 意味著 SiC 器件在更高的電流水平下溫升會更低。SiC 器件的工作溫度受限于封裝因素，如引線鍵合，而不是 SiC 材料特性。因此，選擇最優(yōu)封裝樣式才是設計人員使用 SiC 時重要考慮因素。SiC 的材料特性使之成為許多高壓、高速、大電流和高密度電源轉換設計的絕佳選擇。 在許多情況下，問題不在于是否使用 SiC，而在于什么 SiC 封裝技術能提供最佳的性能和成本取舍。設計人員在 使用 SiC 電源技術時有三種基本的封裝選擇：分立器件、智能電源模塊 (IPM) 或電源集成模塊 (PIM) ，每一種都有一套獨特的成本和性能取舍（表 2）。例如：

• 當成本是一個主要考慮因素時，如消費應用，通常傾向于使用分立器件。此外它們還支持雙源，并有很長的使用壽命。

• IPM 解決方案減少了設計時間，具有最高的可靠性，是最緊湊的中功率水平解決方案。

• 與 IPM 相比，PIM 可以支持更高的功率設計，具有更好的功率密度、合理的快速上市速度、廣泛的設計選擇，以及更多的實現雙源的機會。

表 2：在選擇分立、IPM 和 PIM SiC 封裝解決方案時的集成特性和取舍之比較。（圖片來源：Onsemi）

混合 Si/SiC IPM

雖然有可能開發(fā)只使用 SiC 器件的解決方案，但 有時使用 Si/SiC 混合設計更具有成本效益 。例如，onsemi 的 NFL25065L4BT 混合 IPM 在輸出端將第四代 Si IGBT與 SiC 升壓二極管組合在一起，形成一個交錯式功率因數校正(PFC) 輸入級，適合用于消費、工業(yè)和醫(yī)療應用（圖 1） 。這種緊湊的 IPM 包括了一個經過優(yōu)化的 IGBT 柵極驅動，以盡可能減少 EMI 和損失。集成的保護功能包括欠壓鎖定、過流關斷、熱監(jiān)控和故障報告。NFL25065L4BT的其他特性包括：

• 600 伏/50 安培 (A) 兩相交錯式 PFC

• 針對 20 千赫 (kHz) 開關頻率進行了優(yōu)化

• 使用氧化鋁直接鍵合銅 (DBC) 基底實現低熱阻

• 集成用于溫度監(jiān)測的負溫度系數 (NTC) 熱敏電阻

• 隔離額定值達 2500 伏均方根(rms)/1 分鐘

• UL 認證

圖 1：NFL25065L4BT IPM 在輸出端使用第四代 Si IGBT 與 SiC 升壓二極管組成交錯式 PFC 級。（圖片來源：Onsemi）

SiC PIM

對于太陽能逆變器、電動汽車充電站和類似應用，如果能夠使用基于 SiC 的 PIM ，通過減少封裝和縮小總體積來最大限度地提高功率傳輸，那么設計人員就可以轉而使用 NXH006P120MNF2PTG 。該器件包括一個 6 毫歐 (mΩ)、1200 伏的 SiC MOSFET 半橋和一個集成 NTC 熱敏電阻，采用 F2 封裝（圖2）。封裝選項包括：

• 有或沒有預涂熱界面材料 (TIM)

• 可焊接引腳或壓配引腳

圖 2：NXH006P120MNF2PTG集成電源模塊采用 F2 封裝，帶有壓配引腳。（圖片來源：Onsemi）這些 PIM 最大工作結溫為 175 攝氏度 (°C)，需要外部控制裝置和柵極驅動器?？蛇x的壓配技術，也稱為冷焊接，在引腳和印刷電路板上的電鍍通孔之間提供可靠的連接。壓配提供了簡化的組裝方式，無需焊接，可實現氣密性、低電阻、金屬對金屬連接。SiC 肖特基二極管SiC肖特基二極管 可與 IPM 結合使用，或用于 100% 的分立設計， 與 Si 二極管相比，它們具有更好的開關性能和更高的可靠性。 像 1700 伏/25 A NDSH25170A 這樣的 SiC 肖特基二極管，沒有反向恢復電流，具有出色的熱性能，以及與溫度無關的開關特性。這些可轉化為更高的效率、更快的開關頻率、更高的功率密度、更低的電磁干擾和更輕松的并聯，而所有這些都有助于減少解決方案的尺寸和成本（圖 3）。NDSH25170A 的特性包括：

• 175°C 最大結溫

• 506 毫焦耳 (mJ) 雪崩額定值

• 最高 220 A 的非重復性浪涌電流，最高66 A 的重復性浪涌電流

• 正溫度系數

• 無反向恢復，也無正向恢復

• AEC-Q101 認證資質/PPAP 能力

圖 3：1700 伏/25 A NDSH25170A SiC 肖特基二極管沒有反向恢復電流，具有出色的熱性能，以及與溫度無關的開關特性。（圖片來源：Onsemi）

分立式SiC MOSFET

設計人員可以將分立式 SiC 肖特基與onsemi 的 1200 V SiC MOSFET 結合在一起， 與 Si 器件相比，SiC MOSFET 還具有優(yōu)異的開關性能、更低的導通電阻和更高的可靠性 。 SiC MOSFET 的緊湊芯片尺寸獲得了低電容和柵極電荷。較低的電容和柵極電荷加上低導通電阻，有助于提高系統(tǒng)效率，實現更快的開關頻率，提高功率密度，降低電磁干擾 (EMI)，并允許更小的解決方案外形尺寸。例如， NTBG040N120SC1 的額定電壓為 1200 伏，電流為 60 安，采用 D2PAK ? 7L 表面貼裝封裝（圖 4）。特性包括：

• 106 納庫侖 (nC) 典型柵極電荷

• 139 皮法拉 (pF) 典型輸出電容

• 100% 雪崩測試

• 175°C 工作結溫

• AEC-Q101 鑒定

圖 4：NTBG040N120SC1 SiC MOSFET 的額定值為 1200 伏/60 A，導通電阻為 40 mΩ，采用D2PAK ? 7L 表面貼裝封裝。（圖片來源：Onsemi）

SiC MOSFET 柵極驅動器

用于 SiC MOSFET 的柵極驅動器，如onsemi NCx51705 系列，提供的驅動電壓比用于 Si MOSFET 的驅動器高。全導通 SiC MOSFET 需要 18 至20 伏的柵極電壓，而導通 Si MOSFET 則需要不到10 伏的電壓。此外，SiC MOSFET 在關斷時需要 -3至 -5 伏的柵極驅動。設計人員可以使用針對 SiC MOSFET 優(yōu)化的 NCP51705MNTXG 低壓側、單 6 A 高速驅動器（圖 5）。NCP51705MNTXG 提供了最大的額定驅動電壓，以實現 低傳導損耗 ，并且在導通和關斷期間提供 高峰值電流 ，以盡量 減少開關損耗 。圖 5：簡化示意圖顯示兩個 NCP51705MNTXG 驅動器 IC（中右）以半橋拓撲結構驅動兩個 SiC MOSFET（右）。（圖片來源：Onsemi）設計人員可以使用集成充電泵來產生用戶可選擇的負電壓軌，以提供更高的 可靠性、提升的 dv/dt 抗擾度以及更快的關斷速度。在隔離設計中，可以用一個從外部獲得的 5 伏電壓軌為數字或高速光隔離器的二次側供電。NCP51705MNTXG 的保護功能包括基于驅動電路結溫的熱關斷，以及偏置電源欠壓鎖定監(jiān)控。

評估板和SiC 柵極驅動注意事項

為了加快評估和設計過程，設計人員可以使用 NCP51705SMDGEVB 評估板 (EVB) 來評估 NCP51705（圖 6）。該評估板包括一個 NCP51705 驅動器和所有必要的驅動電路，包括一個板載數字隔離器以及能夠焊接任何采用 TO ? 247 封裝的 SiC 或 Si MOSFET。 該評估板旨在用于任何低壓側或高壓側的電源開關應用 。在圖騰柱驅動器中可以配置兩個或多個這樣的評估板。圖 6：NCP51705SMDGEVB EVB 有孔（上左），可連接 SiC 或 Si 功率 MOSFET，且包括 NCP51705 驅動器（U1，中左）和數字隔離器 IC（右中）。（圖片來源：Onsemi）在使用帶有 SiC MOSFET 的 NCP51705柵極驅動器時，盡量減少印刷電路板的寄生電感和電容是很重要的（圖 7）。印刷電路板布局注意事項：

• NCP51705 應盡可能靠近 SiC MOSFET，要特別注意的是 VDD、SVDD、V5V、充電泵和 VEE 電容與 MOSFET 之間的短印制線。

• VEE 和 PGND 之間的印制線應盡可能短。

• 高 dV/dt 印制線與驅動器輸入和DESAT 之間需要有隔離，以避免因噪聲耦合而導致的異常操作。

• 對于高溫設計，應在裸焊盤和外層之間使用熱過孔，以盡量減少熱阻。

• OUTSRC、OUTSNK 和 VEE 需要使用寬印制線。

圖 7：NCP51705的推薦印刷電路板布局，可最大程度地減少驅動 SiC MOSFET 的寄生電感和電容。（圖片來源：Onsemi）

 總結

SiC 在幫助設計人員滿足數量和種類日益增長的能源基礎設施應用的需求方面發(fā)揮著重要作用。設計人員現在可以使用 SiC 器件設計更有效的高壓、高速、大電流電源轉換設計，從而獲得更小的解決方案尺寸和更高的功率密度。但是 為了讓 SiC 設計獲得最大收益，選擇最佳的封裝方式是很重要的 。如上所述，在分立器件、IPM 和 PIM 之間進行選擇時，需要考慮一系列的性能、上市速度和成本權衡。此外，在使用分立器件或 PIM 時，為了實現可靠和高效的系統(tǒng)性能，SiC 柵極驅動器的選擇和最佳的印刷電路板布局也至關重要。