碳化硅(SiC)的高性能能力正在改變功率電子領域的格局，帶來了諸如卓越的效率、增加的功率密度和提升的熱性能等好處。值得注意的是，汽車應用正從SiC技術中受益良多，主要用于主驅動、車載充電器和電池充電站。

我們從之前的文章中了解到，SiC的介電強度是硅的十倍，使其能夠創建滿足充電基礎設施和智能電網需求的高壓器件。此外，SiC的高開關頻率使得可以減小磁鐵和電感器等組件的物理尺寸。

然而，這只是冰山一角。SiC功率器件正在各種應用中留下自己的印記，從電源和用于電池充電和牽引驅動的電動汽車電源轉換到工業電機驅動和可再生能源發電系統，如太陽能和風能逆變器。

充分利用SiC需要改變設計方法，通常會導致對印刷電路板(PCB)的重大更改，減少輔助組件如冷卻器和晶體管，從而降低成本并節省空間。因此，能夠適應這些變化并實現新設計的快速、精確測試以及對器件可靠性進行仔細評估的設計評估工具至關重要。

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構建塊的生態系統：模塊化設計本質上，模塊化設計是一個工具包，提供了一套構建塊的生態系統，以簡化SiC器件評估過程。它促進了在表面貼裝和穿孔封裝的各種SiC產品上進行快速、全面的系統級測試。

該工具包的核心目標是簡化和加快工程師、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化MOSFET和預期的門極驅動器。該工具包使工程師能夠一次性建立和評估控制器、門極驅動器、磁性元件和功率轉換器中的SiC器件，而不是獨立設計每個系統。

評估平臺由主電路板、功率模塊、門極驅動器模塊和可選的控制模塊組成，還可以添加其他潛在的附件。設計師可以使用“插入式”方法測試各種離散器件，最高可達1,200V，與各種制造商提供的門極驅動器選項相結合。

為了有效，這種平臺應該能夠適應廣泛的電壓、封裝樣式和功率拓撲，使其適用于大多數應用。這使得可以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，如雙脈沖或升壓-降壓功率測試，從而消除了對外部功能發生器或PWM生成器的需求。

有了這個，固件工程師可以開始在真正的高壓/高功率設計上開發和測試產品所需的定制固件，而不僅僅是低壓控制器開發板。讓我們更仔細地看看各個組件。

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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，適合 SiC 器件的高效測試。電源子卡專為每種器件封裝而定制，采用同軸連接器進行 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感應來進行精確的開關損耗測量。電源子卡的模塊化設計使該平臺能夠評估一系列 SiC 器件，從表面貼裝 TOLL 器件到 TO-247 封裝。可以預期，模塊化設計計劃將超越最初推出的半橋主板，并正在開發用于逆變器和電機控制的三相變體等版本。

中央板基本上采用半橋配置。它具有用于柵極驅動器卡、電源子卡和可選控制卡的插槽。此外，它還集成了冷卻風扇、薄膜和陶瓷直流總線電容器，以及外部電源和信號連接。電流和電壓檢測也是其設計的一部分。

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定制子卡柵極驅動器板由行業領先的柵極驅動器公司與 Wolfspeed 聯合開發，可以促進全系列 SiC MOSFET 的全面測試。柵極驅動器卡在 SiC 器件的分析和優化中發揮著關鍵作用。由于高 dV/dt 和 di/dt，使用 SiC MOSFET 進行設計通常會帶來與布局中的寄生電感和電容相關的獨特挑戰。此外，柵極驅動器會影響 SiC MOSFET 的開關性能。

分析整個門電路是降低設計過程風險的關鍵。每個柵極驅動器卡都帶有兩個隔離式柵極驅動器輸出和相應的隔離式偏置電源，以驅動半橋功率子卡。在需要短路保護的應用中，平臺中提供的多種柵極驅動器卡都包含此功能。這樣可以在開始最終設計之前優化響應時間并驗證評估板上的性能。

評估平臺中的柵極驅動器卡(圖 3)有助于分析 SiC 器件的性能。它們為工程師提供了一種測量 QRR 和開關損耗(E ON、E OFF、E RR)等重要因素的方法，有助于了解設備的運行效率。還可以確定 T DELAY-ON、 T DELAY-OFF、 T RISE和 T FALL等時序指標，從而概述不同條件下的器件性能。可以根據應用的工作條件調整柵極電阻，以提供開關損耗和 dV/dt 或 VDS 電壓過沖的理想平衡。

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評估平臺中的電源子卡(圖4)設置為半橋。每張卡均包含高側和低側 SiC MOSFET，以及使用分流器或 CT 的高帶寬電流感測。它們可以配置為在具有高保真電流測量的雙脈沖測試中運行，或者在具有強制風冷的連續功率降壓或升壓轉換器中運行。工程師可以自由地使用他們喜歡的柵極驅動器和功能集來測試卡上的器件、進行測量并改進 SiC MOSFET 和柵極驅動器對的性能。

此外，可以通過切換電源子卡來替代 SiC 器件，避免焊接，并保持與直流總線的低電感連接，以獲得最佳切換性能。電源子卡可用于 TOLL、TO-263 和 TO-247 MOSFET，單一平臺內的DS(ON)設備。SiC 作為 1,200 V 應用的成熟解決方案(橫向 GaN 技術在該領域面臨挑戰)，這些測試規定特別有益。

在此處用作示例的評估套件中，可以調整柵極電阻 (RG) 以優化開關行為并評估各種封裝類型的高達 1,200 V 的分立 SiC MOSFET。這些評估可以在首選拓撲中完成，例如使用半橋主板的降壓或升壓轉換器。

該平臺還可以在實際操作條件下進行高功率熱測試。硬件測試附帶全面的模塊化 SPICE 模型，使工程師能夠將測試結果與仿真進行比較，從而幫助開發設計。

此外，SPICE 系統模型還提供了關鍵寄生元件的估計。這不僅提高了仿真的準確性，還指導工程師控制這些元件，這是使用 SiC MOSFET 時的一個關鍵方面。最后，還提供可選的降壓-升壓板，允許在不同功率級別進行特定于應用的測試。定制設計的空芯電感器(圖 5b)提供了最大限度減少寄生電容的選項，確保精確的雙脈沖測試 (DPT)，這對于優化降壓或升壓轉換器設計至關重要。

借助降壓-升壓濾波器板 (5a)，降壓或升壓轉換器應用可以在此套件上全功率運行。這樣可以測量熱數據以及轉換器效率(圖 6)。

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隨著從電動汽車到太陽能和數據中心等許多行業對最高功率密度下的節能轉換的需求不斷增加，SiC 器件評估在電力電子領域的重要性將繼續增長。在這種情況下，功率器件測試不僅僅局限于數據表參數。通過使用 SpeedVal 套件平臺進行模塊化 SiC 器件評估，工程師可以通過執行關鍵測試來加快設計周期，而無需為每次測試構建全新的設計而耗時且成本高昂。此外，SpeedVal 套件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該平臺的各個部分，從而降低設計風險。

通過提供全面的解決方案，模塊化設計評估通過包含所有必要的組件(包括柵極驅動器和控制板)來實現全面的功率驗證。它允許在硬件啟動之前在不同的電壓范圍內進行測試，并通過其低電感功率環路和電流感應設計簡化精確開關測量的過程。重要的是，SiC 測試套件(例如 SpeedVal 套件)的模塊化特性允許選擇不同的板，以根據特定應用要求定制測試條件。

隨著行業努力提高效率、縮小尺寸、減輕重量和冷卻器設計，SiC 組件的應用將持續增長。為此，SiC 器件評估的模塊化方法是實現優化設計的有效策略，在電力電子的未來中發揮著廣闊的前景。