技术对话|Microchip适用于高压应用的SiC解决方案

原创碳化硅芯观察 2023-11-14 18:25 2043浏览 0评论 0点赞

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前言：
本篇文章录于11月7日海外PowerUP平台，来自 Microchip SiC 业务部门的 Microchip Technology 副总裁 Clayton Pillion 和技术人员应用工程师 Ehab Tarmoom 主持的播客，深入探讨了 SiC 的潜在影响。

主持人：大家好，欢迎收看新一期的 PowerUP。今天我们将讨论用于高压应用的碳化硅解决方案。

与硅相比，碳化硅等宽带隙半导体可提供极低的开关损耗，从而实现更好的系统效率和高功率密度，从而减小尺寸和重量，并具有优异的导热性。这意味着散热器需求减少，从而实现更紧凑、更轻的占地面积。此外，它们能够在高温下运行并增强整体系统可靠性，使其成为需要提高功率密度的应用的绝佳选择。

在本播客中，Microchip 碳化硅业务部门的副总裁 Clayton Pillion 和技术人员应用工程师 Ehab Tarmoom 将讨论碳化硅对各个行业的潜在影响。让我们了解一下他们的背景。

Clayton Pillion：是 Microchip 碳化硅业务部门的副总裁。在 Microchip 工作刚刚超过 18 年。

Ehab Tarmoom：是 Microchip 碳化硅业务部门的应用工程师。在 Microchip 工作了大约四年。在此之前，在一家汽车一级公司从事设计和开发工作大约 21 年。底特律梅西大学的兼职教授，教授电力电子学。

以下为播客对话实录：

主持人：让我们首先讨论碳化硅的主要优点以及为什么碳化硅在电力电子领域受到如此多的关注。那么Clayton，碳化硅相对于硅的主要优点是什么？也许特别关注高功率应用。

Clayton Pillion：好的，谢谢。碳化硅的重要性确实被提到了最前沿，因为我们日常生活的许多不同方面的电气化有着巨大的推动力，随之而来的是对高效率的需求。我们谈论的是大量的电力需要通过电网传输，用于车辆充电、工厂、所有这些不同的领域，并且它需要能够在我们所说的全向电网中移动，方向与传统电网截然不同。

它需要定期通过电网输送一个数量级或更多的电力。为此，您必须拥有最高的效率。因此，碳化硅在高功率应用中带来的最大好处是它本质上能够在更高的电压下工作，以千伏为单位，而不是几十伏或个位数。

此外，碳化硅的性质使其具有非常低的开关损耗。如果速度更快且效率更高，那么您的传导和开关损耗就会低得多，这确实有助于实现我之前提到的效率。

最后但并非最不重要的一点是，在高温环境中执行我刚才所说的所有操作的自然能力使该设备更加高效，不仅从电气性能方面，而且还从降低系统重量、具有更小的热设计和更轻的散热器，所有这些都有助于在产品的运输和移动过程中额外节省能源。

主持人：谢谢你，Clayton。因此，碳化硅技术为各个行业带来了巨大的前景。让我们深入研究它的应用以及对节能系统和关键应用的潜在影响。那么碳化硅如何为电动汽车和可再生能源转换等节能系统做出贡献？另外，碳化硅可以通过哪些方式增强关键系统的可靠性？

Ehab Tarmoom：是的。因此，电动汽车和可再生能源转换是电动汽车和可持续发展大趋势的重要组成部分。这些是我们的重点领域，我们拥有为我们提供全面解决方案的技术，包括使用碳化硅的电源解决方案。

碳化硅是高效率和高功率密度的推动者。因此，如果我们看看电动汽车的电力驱动系统，当今的现有解决方案是硅 IGBT，它具有非常高的效率，但仅限于峰值功率。一旦你不再关注峰值功率，效率就会开始下降。

借助碳化硅，您可以在峰值功率和轻负载下保持峰值效率。因此，在整个范围内，您都能够获得如此高的效率。这给你带来的是拥有更多行驶里程的能力。您甚至可以从该电池组中获得更多的行驶里程，或者您可以通过这种成本和重量来减小该电池组的尺寸。

电动汽车的其他区域是车载充电器。

如今，您会看到人们拥有千瓦级充电器，而您正在转向由碳化硅支持的 22 千瓦充电器。至少目前只有碳化硅技术才能在小型封装中有效地转换如此大的功率，并且它使车辆设计师和封装商能够将其封装在车辆中，而无需处理太多的空间限制。

现在，如果我们看看电动汽车的外部，例如电动汽车充电系统，它将需要来自电网的高功率可用性，以及Clayton刚才提到的全向电网，能够从任何地方向任何人提供电力任何时候对于支持电动汽车充电基础设施都至关重要，尤其是在夜间充电时。因此，我们需要能够将所有能量存储在能量存储系统中，他们将能量推入能量存储系统中的电池组，然后将能量取出。

碳化硅是高效储能系统的推动者。当您考虑可靠性方面时，今天使用 IGBT，它们只是第一象限中的单象限器件。要在第三象限工作，您需要一个反并联二极管。使用碳化硅 MOSFET，它们可以在第一和第三象限工作。

所以这意味着更少的设备。更少的设备意味着更少的故障机会、更高的可靠性。

当添加碳化硅二极管的耐用性和雪崩能力时，将获得更高的可靠性。还有一点是对中子的抵抗力更高。通过地球大气层进入的中子。碳化硅具有比硅更好的性能，因此电动汽车的适用率较低，而且在电网和电网基础设施方面，它将带来更高的可靠性和弹性。

主持人：那么让我问另一个问题。碳化硅提供更快的开关速度，但也会导致开关过程中的电压尖峰和电磁干扰。Microchip 如何解决其设备中的这些问题？

Ehab Tarmoom：是的。因此，如果您观察我们的碳化硅功率模块，就会发现与硅功率模块相比，它们的外形非常薄。

为了最小化环路电感。由于所有快速开关，需要低电感。我们目前推出的模块 SP6LI，LI 代表低电感。它只有 3 nH 的电感。这使得设计人员能够将电源环路设计得又小又紧凑，以最大限度地减少过冲和振铃，从而最大限度地减少 EMI。

除此之外，我们还有一群碳化硅主题专家与客户合作，帮助他们优化功率环路设计和栅极环路设计。因此，栅极环路驱动对于正确驱动 MOSFET 也同样重要，这样您就可以进行干净的开关，从而最大限度地减少过冲。当您最大限度地减少超调时，您就能够获得更高的效率。因此，您不仅可以减少辐射传导发射，而且还可以提高效率。

另一个领域是我们拥有一种称为增强开关的栅极驱动技术。其作用是在每个开关周期打开和关闭，我们引入一个中间步骤，并且该步骤是可配置的。电压和持续时间是可配置的，它允许调整设备的开关，以便控制 dV/dt 和 di/dt，帮助最大限度地减少过冲或振动。提供了更好的 EMI 性能和开关性能，效率更高。

主持人：Clayton，碳化硅技术涉及几个主题。贵公司不同部门之间的协作以及与外部部门的协作如何，以推动创新并保持市场竞争力？

Clayton Pillion：是的，所以你问题的第一部分是我们如何在公司内部跨所有不同部门、制造、设计和应用等进行协作。

您知道，对于 Microchip 来说，这已深深融入我们的 DNA 中。我们从上到下树立合作榜样，并建立了一种企业文化，在这种文化中，我们互相帮助，而不是为了资源或认可等而相互竞争和挑战。

我们最大的例子就是我们的非佣金销售队伍，我们不关心客户在哪里需要设计帮助或在哪里购买零件。无论如何，他们都会在需要的地方获得所需的帮助。因此，我们将同样的理念融入到产品开发和支持中。归根结底，我们都是工程师，我们只想解决复杂的问题，当我们取得成功时，我们感觉非常好，而成功是随着团队聚集在一起而实现的，而且你在不同领域都有专长。

我们在行业内的工作方式反映了这一点。您知道，我们与多个大学合作，帮助制作参考设计，进行研究和开发，以改进产品或技术。我们与多个不同的行业团体合作，分享经验、分享技术。例如，在最近的 PowerAmerica 活动中，我们报道了过去一两年我们进行的多项合作。因此，在我们从事碳化硅工作的 20 多年中，我们真正专注于在内部完成出色的工作，并非常高效地工作，并在行业内尽我们所能地工作，并努力真正共享和利用所有那里已经完成了伟大的工作。

主持人：谢谢你，Clayton。让我们回顾一下 Ehab 说的可靠性。栅极氧化物是谈论可靠性时要考虑的主要参数之一。您能否详细说明一下有助于影响碳化硅性能的出色栅极氧化物稳定性的机制？

Ehab Tarmoom：是的。正如您所知，栅极氧化物是 MOSFET 的致命弱点。这是 MOSFET 的最弱点，对于碳化硅，它要承受比硅功率 MOSFET 高得多的电场。因此，我们在碳化硅 MOSFET 的开发早期做了大量工作。

我们已经使用我们的内部工厂进行了一些设计迭代和多个 DOE 来验证设计和制造过程。因此，Microchip 非常了解生长坚固的氧化硅的最佳条件。正因为如此，我们能够拥有稳定的阈值电压，并且在器件的使用寿命内漂移最小。我们还有一个最小的阈值电压迟滞。我们确实在设备内实施了屏蔽，因此我们能够保护栅极氧化物免受我所说的高电场的影响。

现在，我无法详细介绍我们设备的设计或制造过程。所有这些都是专有的。但我们从内部和外部独立测试中获得的数据表明，我们拥有非常稳定和坚固的栅极氧化物。例如，通过高温栅极偏压测试，我们能够证明，在负偏压下，我们只有 20 mV 的漂移，而在正偏压下，平均漂移为 60 mV。

因此，这些数字非常非常令人印象深刻，再次显示了我们的设计和流程的可靠性。我们还进行了一项独特的测试，即动态栅极应力测试，我们在高温下测试部件，了解其测试方式、应用中的使用方式以及器件切换情况。因此它会经历超过一万亿次的开关周期。

在此测试期间，我们进行抽查并测量阈值电压、阈值电压迟滞和 R DS(on)。在所有情况下，漂移都非常小，几乎可以忽略不计。而这一切并非偶然。这是因为我们在碳化硅 MOSFET 的设计和制造方面拥有专业知识、经验和专业知识。

主持人：因此，在碳化硅对各个行业的潜在影响的背景下，设计人员在评估设备及其应用（碳化硅设备）的适用性时应考虑其他性能指标和基准。

Ehab Tarmoom：设计人员需要了解并非所有碳化硅 MOSFET 都是相同的。他们应该考虑 R DS(on)随温度变化。我们的 R DS(on)温度系数确实非常低，但根据结构的不同，您可能会看到一些器件具有非常高的温度系数。

因此了解 R DS(on)如何变化非常重要。不要陷入仅查看数据表第一页上的评级的陷阱。你真的必须看看那条曲线。开关损耗。测量开关损耗的方法很重要。每个制造商在如何测量开关损耗方面可能有不同的测试条件，因此设计人员了解这一点很重要。最后，当考虑 R DS(on)、开关损耗和热阻时，RMS 载流能力是多少？这才是应用程序中真正重要的事情。我们拥有的是一些设计工具。

我们有 SPICE 仿真模型。我们有一个名为 Mindi 的工具，这是一个 SPICE 工具，其中包括我们的碳化硅 MOSFET 和二极管模型，并且我们有不同器件、分立器件和模块的复杂模型。复合模型是使用实际测试、经验数据、双脉冲测试测量的查找表构建的。我们的在线模拟器也使用了相同的模型。

我们有一个名为 MPLAB SiC 功率模拟器的工具，允许客户选择拓扑并选择器件，输入有关要求的一些基本信息，从而能够快速获得显示不同器件的温度和效率的结果。

主持人：谢谢。随着技术的不断发展，我们应该考虑一些新兴趋势、材料、碳化硅材料、器件架构的进步。Microchip的下一步计划是什么？

Clayton Pillion：随着越来越多的传统机械应用变得电气化，这给该行业带来了新的挑战。例如，我认为您所看到的最大挑战来自航空航天，它们需要具有令人难以置信的可靠性以及功率密度，以实现非常小、轻量级的高功率运行。

因此，随着飞机的不断发展，受控表面和其他应用从传统的机械方式转向更多的电气方式，并且随着更高规格的电动垂直起飞和着陆应用的出现，您会发现需要拥有一些最先进的技术。我们已经看到了模块功率密度的坚固封装。

目前在制造方面的其他新兴领域，我们看到碳化硅晶锭的生产方式以及我们如何随着时间的推移看到更高的产量方面取得了巨大的进步。回到您关于合作伙伴关系的问题，我们继续与行业内的多个合作伙伴合作，提高产量以及制造碳化硅 IC 的输入材料的材料方面。现在归根结底，Microchip 已经为下一波增长做好了准备，因为它来自新技术、高功率密度、模块、嵌入式芯片，以及一些更新的材料和制造客户在行业中并不总是看到这些产品，但无疑意味着更高的可靠性、更大的容量和更可靠的产品。

因此，我们很高兴看到电动汽车充电和全方位电网基础设施方面的许多新兴变化，我们将继续与合作伙伴合作，为我们即将采取的所有后续步骤做好准备未来。

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