【導(dǎo)讀】為應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，全球能源轉(zhuǎn)型已進(jìn)入技術(shù)攻堅(jiān)階段：非化石能源裝機(jī)占比突破50%的可再生電力系統(tǒng)加速構(gòu)建，交通領(lǐng)域電氣化率以年均12%的增速持續(xù)攀升。這場(chǎng)變革正催生顛覆性的功率需求——電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)電壓平臺(tái)躍升至900VDC+，能量密度突破95kWh；超充樁單槍輸出功率突破240kW技術(shù)門(mén)檻；氫燃料電池堆更以500kW級(jí)功率模塊和1000A級(jí)質(zhì)子交換膜電堆，重構(gòu)車載能源系統(tǒng)的功率邊界。
為應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，全球能源轉(zhuǎn)型已進(jìn)入技術(shù)攻堅(jiān)階段：非化石能源裝機(jī)占比突破50%的可再生電力系統(tǒng)加速構(gòu)建，交通領(lǐng)域電氣化率以年均12%的增速持續(xù)攀升。這場(chǎng)變革正催生顛覆性的功率需求——電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)電壓平臺(tái)躍升至900VDC+，能量密度突破95kWh；超充樁單槍輸出功率突破240kW技術(shù)門(mén)檻；氫燃料電池堆更以500kW級(jí)功率模塊和1000A級(jí)質(zhì)子交換膜電堆，重構(gòu)車載能源系統(tǒng)的功率邊界。
市場(chǎng)需求下的挑戰(zhàn)
一方面，我們需要擺脫化石燃料，另一方面，全球能耗又在不斷攀升。服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)就是一個(gè)能源需求更高的例子。為了有足夠的可再生能源來(lái)支撐運(yùn)行，服務(wù)器場(chǎng)正從交流配電轉(zhuǎn)型為直流配電，其工作電壓達(dá)360VDC，電流容量達(dá)2000A。此外，許多新興技術(shù)直接把電壓拉到1800 VDC的級(jí)別。
面對(duì)測(cè)試這些大功率產(chǎn)品的市場(chǎng)要求，EA需要開(kāi)發(fā)輸出功率更大、輸出電壓更高、以及有助于減小測(cè)試系統(tǒng)體積并降低能耗成本的電源。
硅晶體管電源的局限性
基于硅的MOSFET（金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）設(shè)計(jì)需要三個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管才能實(shí)現(xiàn)5kW的功率輸出。由于MOSFET的降額要求為30%，單個(gè)5kW功率模塊需要串聯(lián)三個(gè)500VDC模塊才能達(dá)到1500VDC。三個(gè)5kW功率模塊組成一個(gè)15kW的電源設(shè)備。為了滿足150kW的負(fù)載需求，測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要十個(gè)15kW的電源，這些電源足以填滿一個(gè)42U高、19英寸寬的測(cè)試機(jī)架。如果負(fù)載需求進(jìn)一步增加到450kW，測(cè)試系統(tǒng)將需要三個(gè)這樣的機(jī)架，占用18平方英尺的空間。在這種情況下，如果這些電源以最大93%的效率運(yùn)行，測(cè)試系統(tǒng)將產(chǎn)生31.5kW的熱量，需要有效的散熱措施來(lái)處理。
而考慮到實(shí)現(xiàn)新型電源所要達(dá)到的目標(biāo)，更是困難重重，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)決定采用碳化硅功率晶體管。下文介紹了碳化硅技術(shù)相比硅的替代方案的優(yōu)勢(shì)。
碳化硅MOSFET的效率優(yōu)于硅IGBT
三相系統(tǒng)電源的先代產(chǎn)品使用硅絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。IGBT能夠支持1200V的電壓并且提供大電流。然而，IGBT的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗很高。相比之下，碳化硅MOSFET作為一種高功率半導(dǎo)體器件，其導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗顯著低于傳統(tǒng)硅IGBT。如圖1所示，當(dāng)用作開(kāi)關(guān)時(shí)，碳化硅MOSFET的電壓降明顯低于等效IGBT。碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻（RDS(on)）在低負(fù)載條件下也低于飽和IGBT的pn結(jié)電阻，從而降低了導(dǎo)通損耗。此外，開(kāi)關(guān)損耗的差異更為顯著。硅IGBT的電容更高，且關(guān)斷時(shí)間更長(zhǎng)。圖1表明，碳化硅MOSFET的開(kāi)關(guān)能量損耗僅為IGBT的1/10。
圖1. 碳化硅MOSFET與硅IGBT之間的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗比較
碳化硅晶體管的開(kāi)關(guān)速度優(yōu)于硅晶體管
由于碳化硅MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)間更短，因此這些晶體管可以以更快的開(kāi)關(guān)速度運(yùn)行。圖2顯示，碳化硅MOSFET的dv/dt速率幾乎是硅MOSFET的兩倍，無(wú)論是開(kāi)啟還是關(guān)斷。
圖2. 硅MOSFET（上圖）與碳化硅MOSFET（下圖）的開(kāi)啟和關(guān)斷速率
碳化硅晶體管的可靠性更高
從可靠性角度來(lái)看，碳化硅MOSFET的實(shí)際擊穿電壓高于其數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格（見(jiàn)圖3）。這一特性表明碳化硅MOSFET在面對(duì)瞬態(tài)過(guò)壓時(shí)具有更強(qiáng)的魯棒性。在低溫條件下，碳化硅MOSFET仍能保持特定的擊穿電壓，而IGBT制造商則無(wú)法保證其產(chǎn)品在低溫下的擊穿電壓。例如，一個(gè)額定1200V的IGBT在-30°C時(shí)無(wú)法耐受1200V的電壓，必須進(jìn)行降額處理。
圖3. 碳化硅MOSFET的實(shí)際擊穿電壓與溫度的關(guān)系。該圖表示了來(lái)自三個(gè)不同生產(chǎn)批次的15個(gè)組件的測(cè)量結(jié)果。
碳化硅晶體管空間占用更少
碳化硅和硅功率半導(dǎo)體之間的另一個(gè)顯著差異是芯片尺寸。首先，碳化硅芯片比等效功率的硅晶體管芯片更小。其次，硅晶體管需要一個(gè)反向偏置二極管，以允許在集電極和發(fā)射極之間進(jìn)行雙向電流流動(dòng)。碳化硅晶體管的源 - 漏通道可以在兩個(gè)方向上導(dǎo)電。此外，碳化硅晶體管的寄生體二極管是晶體管結(jié)構(gòu)的一部分。因此，硅晶體管所需的額外二極管對(duì)于碳化硅晶體管來(lái)說(shuō)是不需要的。
以一個(gè)1200V的晶體管為例，碳化硅晶體管芯片面積大約是硅晶體管芯片面積的1/4。因此，碳化硅組件在功率電路中的布局可以表現(xiàn)出更低的雜散電感?？傮w而言，更小的碳化硅封裝使得最終產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度。
EA10000系列電源實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)
EA公司憑借先進(jìn)的碳化硅（SiC）技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出4U/30kW和6U/60kW的高性能可編程電源，其輸出電壓最高可達(dá)2000V。與傳統(tǒng)基于硅晶體管的同類產(chǎn)品相比，這些電源在多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了顯著提升：效率提高了3%，功率密度提升了37%，240W電源系統(tǒng)的占地面積減少了33%，熱量產(chǎn)生降低了42%，每瓦成本也降低了15% - 20%。
EA10000系列開(kāi)關(guān)模式交流-直流轉(zhuǎn)換器利用碳化硅晶體管的高開(kāi)關(guān)速度，其開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)60kHz，比其他制造商電源中開(kāi)關(guān)頻率約為30 - 40kHz的直流 - 直流轉(zhuǎn)換器快30%。這一更高的開(kāi)關(guān)頻率不僅使磁性元件和放大器的尺寸得以顯著減小，還使磁性元件的質(zhì)量減少了30%，并且設(shè)計(jì)中少了一個(gè)電感元件，從而節(jié)省了寶貴的空間并進(jìn)一步減少了廢熱的產(chǎn)生。
EA10000系列可編程直流電源的開(kāi)發(fā)目標(biāo)是：
? 實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有可編程電源更高的效率；
? 將直流輸出電壓提升至2000V；
? 提高功率密度以減小設(shè)備體積；
? 降低每瓦成本。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)深入探討了是采用傳統(tǒng)的基于硅（Si）晶體管技術(shù)，還是采用更新的碳化硅（SiC）功率晶體管。如果使用現(xiàn)有的硅半導(dǎo)體技術(shù)，在開(kāi)關(guān)模式設(shè)計(jì)下，電源設(shè)備的能效最高可達(dá)93%，并且當(dāng)采用5kW功率模塊時(shí)，可實(shí)現(xiàn)的功率密度為9.2W/in3。
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