工业界对碳化硅（SiC）技术的需求持续增长，这种技术可以最大限度地提高当今电力系统的效率，同时降低其尺寸、重量和成本。但SiC并不是硅的替代品，而且它们的制造也不尽相同。为了实现碳化硅技术的发展前景，开发人员必须根据质量、供应和支持仔细评估产品和供应商的选择，并了解如何将这些破坏性的碳化硅功率组件优化集成到其终端系统中。

越来越多的人接受

碳化硅技术正处于一个陡峭的上升曲线上。随着来自多个组件供应商的选择范围的扩大，产品可用性也有所增加。在过去三年里，这个市场翻了一番，预计在未来十（10）年内，市场价值将增长20倍，超过100亿美元。其应用范围已从车载混合动力和电动汽车（H/EV）应用扩展到非汽车动力和列车电机控制系统、重型车辆、工业设备和电动汽车充电基础设施。航空航天和国防供应商也在推动碳化硅的质量和可靠性，以满足这些部门众所周知的对部件耐用性的严格要求。

碳化硅开发计划的一个关键部分是验证碳化硅器件的可靠性和耐用性，因为供应商之间的差异很大。随着全系统关注的趋势越来越明显，设计师也需要评估供应商提供的产品的范围。重要的是，设计师与供应商合作，供应商提供灵活的解决方案，如模具、离散和模块选项，这些解决方案由全球分销、支持和全面的设计模拟和开发工具支持。开发人员希望他们的设计经得起未来的考验，还需要探索最新的功能，如数字可编程门驱动程序，这些功能可以解决早期的实现问题，同时通过按键实现系统性能的“调整”。

第一步：三个关键测试

三个测试提供了评估SiC器件可靠性的数据：雪崩能力；承受短路的能力；SiC MOSFET体二极管的可靠性。

足够的雪崩能力是至关重要的：即使是一个无源器件的小故障也可能导致超过额定击穿电压的瞬态电压尖峰，最终使设备或整个系统失效。具有足够雪崩能力的SiC MOSFET减少了对缓冲电路的需求，延长了应用寿命。最好的额定值选项显示了高达25焦耳/平方厘米（J/cm2）的UIS能力。即使经过10万次重复性的测试，UIS也很少出现参数退化。

第二个关键测试是短路耐受时间（SCWT），即在轨对轨短路条件下设备发生故障前的最长时间。其结果应该接近于功率转换应用中使用的igbt，大多数igbt的SCWT为5到10微秒（us）。确保足够的SCWT允许系统有机会在不损坏系统的情况下维修故障条件。

第三个关键指标是SiC MOSFET本征体二极管的正向电压稳定性。这在不同的供应商之间有很大的差异。如果没有适当的器件设计、工艺和材料，这种二极管的导电性可能在工作过程中降低，从而导致导通漏源电阻（RDSon）的增加。图1揭示了存在的差异。在俄亥俄州立大学进行的一项研究中，对来自三家供应商的MOSFET进行了评估。在结果中，供应商B的所有器件都显示出正向电流的退化，而在另一边，供应商C的MOSFET中没有观察到退化。

图1:SiC MOSFET的正向特性，显示了供应商在体二极管退化方面的差异。资料来源：俄亥俄州立大学Anant Agarwal博士和Min Seok Kang博士。

一旦设备可靠性得到验证，下一步就是评估这些设备周围的生态系统，包括产品选择的广度、可靠的供应链和设计支持。

供应、支持和系统级设计

在越来越多的碳化硅供应商中，除了经验和基础设施外，如今的碳化硅公司可以在设备选择上有所不同，以支持和供应许多严格的碳化硅市场，如汽车、航空航天和国防。

随着时间的推移，电力系统的设计在不同的代内都在不断改进。SiC的应用也不例外。早期的设计可以在非常标准的通孔或表面安装封装选项中使用广泛可用的标准离散电源产品。随着应用程序数量的增长，设计师们专注于减小尺寸、重量和成本，他们通常会将设计转移到集成电源模块上，或者选择三方合作伙伴关系。三方合作伙伴包括最终产品设计团队、模块制造商和碳化硅模具供应商。每一个都在实现总体设计目标中起着关键作用。

在快速增长的碳化硅市场，供应链问题是一个关键和合理的问题。SiC基片材料是SiC模具制造流程中成本最高的材料。此外，碳化硅的制造需要高温制造设备，而这是开发硅基功率产品和集成电路所不需要的。设计师必须确保SiC供应商有一个强大的供应链模型，包括多个生产地点，以防发生自然灾害或重大产量问题，以确保供应始终满足需求。许多组件供应商还将淘汰旧一代设备，迫使设计师花费时间和资源重新设计现有应用程序，而不是开发新的创新设计，以帮助降低终端产品成本和增加收入。

设计支持也很重要，包括有助于缩短开发周期的仿真工具和参考设计。有了SiC设备控制和驱动的解决方案，开发人员可以探索新的功能，如增强交换，以实现整个系统方法的全部价值。图2显示了一个基于SIC的系统设计，它带有集成的数字可编程门驱动器，它进一步加快了生产时间，同时创建了优化设计的新方法。

图2：模块适配器板与栅极驱动核心相结合，提供了一个通过增强交换快速评估和优化新型SiC功率器件的平台。

设计优化的新选择

数字可编程门驱动器选项通过增强开关实现SiC的最大效益。它们可以方便地配置SIC MOSFET的开启/关闭时间和电压水平，因此设计者可以加快开关速度，提高系统效率，同时降低与门驱动器开发相关的时间和复杂性。开发人员可以使用配置软件来优化基于SiC的设计，而不是手动改变PCB，从而在加速上市时间的同时提高效率和故障保护。

图3：使用数字可编程门驱动器来实现最新的增强开关技术有助于解决SiC噪声问题，加快短路响应速度，有助于管理电压超调问题，并将过热降至最低。

随着应用范围的扩大，早期的碳化硅技术的应用已经在汽车、工业、航空航天和国防部门实现了收益。成功将继续依赖于验证SiC器件可靠性和稳定性的能力。随着开发人员采用整体解决方案战略，他们将需要获得由完整可靠的全球供应链和所有必要的设计模拟和开发工具支持的综合投资组合。他们还将有新的机会，通过新的能力，软件可配置的设计优化，使数字可编程栅极驱动，以证明未来的投资。