【導讀】weilejianhuanqihoubianhua，renleizaifeihuashiranliaohekezaishengnengyuanjiejuefanganfangmianqudelexianzhujinzhan，jiaotonglingyudedianqihuajinchengyezaijiasutuijin。zhexiexinxingjishudaduoduidianyuantichulegenggaodeyaoqiu，youqishiduidagonglvdexuqiu。liru，diandongqiche（EV）的電池包電壓已高達900 VDC以上
，容量可達95kWh；快充和超充係統功率更是輕鬆突破240kW。氫燃料電池堆作為另一種汽車供電技術
，其功率可超過500kW

，電流高達1000A。

weilejianhuanqihoubianhua
，renleizaifeihuashiranliaohekezaishengnengyuanjiejuefanganfangmianqudelexianzhujinzhan，jiaotonglingyudedianqihuajinchengyezaijiasutuijin。zhexiexinxingjishudaduoduidianyuantichulegenggaodeyaoqiu，youqishiduidagonglvdexuqiu。liru，diandongqiche（EV）的電池包電壓已高達900 VDC以上
，容量可達95kWh；快充和超充係統功率更是輕鬆突破240kW。氫燃料電池堆作為另一種汽車供電技術，其功率可超過500kW，電流高達1000A。

市場需求下的挑戰

一(yi)方(fang)麵(mian)，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)擺(bai)脫(tuo)化(hua)石(shi)燃(ran)料(liao)
，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)
，全(quan)球(qiu)能(neng)耗(hao)又(you)在(zai)不(bu)斷(duan)攀(pan)升(sheng)。服(fu)務(wu)器(qi)農(nong)場(chang)就(jiu)是(shi)一(yi)個(ge)能(neng)源(yuan)需(xu)求(qiu)更(geng)高(gao)的(de)例(li)子(zi)。為(wei)了(le)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)來(lai)支(zhi)撐(cheng)運(yun)行(xing)
，服(fu)務(wu)器(qi)場(chang)正(zheng)從(cong)交(jiao)流(liu)配(pei)電(dian)轉(zhuan)型(xing)為(wei)直(zhi)流(liu)配(pei)電(dian)
，其(qi)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)達(da)360VDC，電流容量達2000A。此外
，許多新興技術直接把電壓拉到1800 VDC的級別。

麵對測試這些大功率產品的市場要求，EA需要開發輸出功率更大、輸出電壓更高
、以及有助於減小測試係統體積並降低能耗成本的電源。

矽晶體管電源的局限性

基於矽的MOSFET（金屬 - 氧化物 - 半導體場效應晶體管）設計需要三個開關晶體管才能實現5kW的功率輸出。由於MOSFET的降額要求為30%，單個5kW功率模塊需要串聯三個500VDC模塊才能達到1500VDC。三個5kW功率模塊組成一個15kW的電源設備。為了滿足150kW的負載需求，測試係統設計人員需要十個15kW的電源，這些電源足以填滿一個42U高、19英寸寬的測試機架。如果負載需求進一步增加到450kW，測試係統將需要三個這樣的機架，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%的效率運行，測試係統將產生31.5kW的熱量，需要有效的散熱措施來處理。

而(er)考(kao)慮(lv)到(dao)實(shi)現(xian)新(xin)型(xing)電(dian)源(yuan)所(suo)要(yao)達(da)到(dao)的(de)目(mu)標(biao)，更(geng)是(shi)困(kun)難(nan)重(zhong)重(zhong)，設(she)計(ji)團(tuan)隊(dui)決(jue)定(ding)采(cai)用(yong)碳(tan)化(hua)矽(gui)功(gong)率(lv)晶(jing)體(ti)管(guan)。下(xia)文(wen)介(jie)紹(shao)了(le)碳(tan)化(hua)矽(gui)技(ji)術(shu)相(xiang)比(bi)矽(gui)的(de)替(ti)代(dai)方(fang)案(an)的(de)優(you)勢(shi)。

碳化矽MOSFET的效率優於矽IGBT

三相係統電源的先代產品使用矽絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。IGBT能夠支持1200V的電壓並且提供大電流。然而，IGBT的導通和開關損耗很高。相比之下
，碳化矽MOSFET作為一種高功率半導體器件
，其導通和開關損耗顯著低於傳統矽IGBT。如圖1所示，當用作開關時，碳化矽MOSFET的電壓降明顯低於等效IGBT。碳化矽MOSFET的導通電阻（RDS(on)）在低負載條件下也低於飽和IGBT的pn結電阻
，從而降低了導通損耗。此外，開關損耗的差異更為顯著。矽IGBT的電容更高，且關斷時間更長。圖1表明

，碳化矽MOSFET的開關能量損耗僅為IGBT的1/10。

圖1. 碳化矽MOSFET與矽IGBT之間的開關損耗和導通損耗比較

碳化矽晶體管的開關速度優於矽晶體管

由於碳化矽MOSFET的開關時間更短，因此這些晶體管可以以更快的開關速度運行。圖2顯示
，碳化矽MOSFET的dv/dt速率幾乎是矽MOSFET的兩倍，無論是開啟還是關斷。

圖2. 矽MOSFET（上圖）與碳化矽MOSFET（下圖）的開啟和關斷速率

碳化矽晶體管的可靠性更高

從可靠性角度來看，碳化矽MOSFET的實際擊穿電壓高於其數據手冊規格（見圖3）。這一特性表明碳化矽MOSFET在麵對瞬態過壓時具有更強的魯棒性。在低溫條件下
，碳化矽MOSFET仍能保持特定的擊穿電壓，而IGBT製造商則無法保證其產品在低溫下的擊穿電壓。例如
，一個額定1200V的IGBT在-30°C時無法耐受1200V的電壓，必須進行降額處理。

圖3. 碳化矽MOSFET的實際擊穿電壓與溫度的關係。該圖表示了來自三個不同生產批次的15個組件的測量結果。

碳化矽晶體管空間占用更少

碳(tan)化(hua)矽(gui)和(he)矽(gui)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)之(zhi)間(jian)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)顯(xian)著(zhu)差(cha)異(yi)是(shi)芯(xin)片(pian)尺(chi)寸(cun)。首(shou)先(xian)，碳(tan)化(hua)矽(gui)芯(xin)片(pian)比(bi)等(deng)效(xiao)功(gong)率(lv)的(de)矽(gui)晶(jing)體(ti)管(guan)芯(xin)片(pian)更(geng)小(xiao)。其(qi)次(ci)
，矽(gui)晶(jing)體(ti)管(guan)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)反(fan)向(xiang)偏(pian)置(zhi)二(er)極(ji)管(guan)

，以(yi)允(yun)許(xu)在(zai)集(ji)電(dian)極(ji)和(he)發(fa)射(she)極(ji)之(zhi)間(jian)進(jin)行(xing)雙(shuang)向(xiang)電(dian)流(liu)流(liu)動(dong)。碳(tan)化(hua)矽(gui)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)源(yuan) - 漏(lou)通(tong)道(dao)可(ke)以(yi)在(zai)兩(liang)個(ge)方(fang)向(xiang)上(shang)導(dao)電(dian)。此(ci)外(wai)，碳(tan)化(hua)矽(gui)晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)寄(ji)生(sheng)體(ti)二(er)極(ji)管(guan)是(shi)晶(jing)體(ti)管(guan)結(jie)構(gou)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)。因(yin)此(ci)，矽(gui)晶(jing)體(ti)管(guan)所(suo)需(xu)的(de)額(e)外(wai)二(er)極(ji)管(guan)對(dui)於(yu)碳(tan)化(hua)矽(gui)晶(jing)體(ti)管(guan)來(lai)說(shuo)是(shi)不(bu)需(xu)要(yao)的(de)。

以一個1200V的晶體管為例，碳化矽晶體管芯片麵積大約是矽晶體管芯片麵積的1/4。yinci

，tanhuaguizujianzaigonglvdianluzhongdebujukeyibiaoxianchugengdidezasandiangan。zongtieryan，gengxiaodetanhuaguifengzhuangshidezuizhongchanpinnenggoushixiangenggaodegonglvmidu。

EA10000係列電源實現的目標

EA公司憑借先進的碳化矽（SiC）技術
，成功開發出4U/30kW和6U/60kW的高性能可編程電源，其輸出電壓最高可達2000V。與傳統基於矽晶體管的同類產品相比，這些電源在多個關鍵性能指標上實現了顯著提升：效率提高了3%
，功率密度提升了37%
，240W電源係統的占地麵積減少了33%，熱量產生降低了42%，每瓦成本也降低了15% - 20%。

EA10000係列開關模式交流-直流轉換器利用碳化矽晶體管的高開關速度
，其開關頻率可達60kHz，比其他製造商電源中開關頻率約為30 - 40kHz的直流 - 直流轉換器快30%。這一更高的開關頻率不僅使磁性元件和放大器的尺寸得以顯著減小
，還使磁性元件的質量減少了30%，並且設計中少了一個電感元件，從而節省了寶貴的空間並進一步減少了廢熱的產生。

EA10000係列可編程直流電源的開發目標是：

·實現比現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備體積
；

·降低每瓦成本。

在設計過程中，團隊深入探討了是采用傳統的基於矽（Si）晶體管技術，還是采用更新的碳化矽（SiC）功率晶體管。如果使用現有的矽半導體技術，在開關模式設計下，電源設備的能效最高可達93%，並且當采用5kW功率模塊時
，可實現的功率密度為9.2W/in³。

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