人們在減緩氣候變化方面的努力推進(jìn)了非化石燃料、可再生能源解決方案以及交通運(yùn)輸行業(yè)加速電氣化的進(jìn)程。這些新技術(shù)要求使用大功率，因此也推動了電源行業(yè)的新發(fā)展。電動汽車 (EV) 的電池組電壓可超過 900 VDC，容量可達(dá) 95 kWh?？焖?EV 充電系統(tǒng)的額定功率超過 240 kW。氫燃料電池的電芯堆疊是另一項(xiàng)在研的汽車供電技術(shù)，其容量可超過 500 kW，輸出電流可達(dá) 1000 A。

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)器場便是有著更高能源需求的應(yīng)用例子之一。為了有足夠的可再生能源來支撐運(yùn)行，服務(wù)器場正從交流配電轉(zhuǎn)型為直流配電，其工作電壓達(dá) 360 VDC，電流容量達(dá) 2000 A。此外，許多新興技術(shù)也在使用 1800 VDC 級別的電壓。

一、市場需求下的挑戰(zhàn)

面對測試這些大功率產(chǎn)品的市場要求，EA需要開發(fā)輸出功率更大、輸出電壓更高、以及有助于減小測試系統(tǒng)體積并降低能耗成本的電源。因此，EA新推出的10000系列可編程直流電源需要滿足以下目標(biāo)：

1、效率優(yōu)于現(xiàn)有可編程直流電源

2、更高的直流輸出電壓，達(dá) 2000 V

3、更高的功率密度，更小的體積

4、更低的單位能耗成本

EA 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)考慮過是使用基于硅 (Si) 的晶體管技術(shù)，還是使用更新的碳化硅 (SiC) 功率晶體管。如果使用現(xiàn)有的硅半導(dǎo)體技術(shù)，在采用工作頻率為 40 kHz 的開關(guān)模式設(shè)計(jì)時(shí)，電源設(shè)備的最高效率可達(dá) 93%。如果電源設(shè)備使用 5 kW 電源模塊，那么可實(shí)現(xiàn)的功率密度為 9.2 W/in3。

二、硅晶體管電源的限制

基于硅的 MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）設(shè)計(jì)需要三個(gè)開關(guān)晶體管，才能達(dá)到 5 kW?？紤]到 MOSFET 的 30% 的降額需求，5 kW 電源模塊必須串聯(lián)三個(gè) 500 VDC 模塊，才能實(shí)現(xiàn) 1500 VDC。三個(gè) 5 kW 電源模塊才能組成一臺 15 kW 的設(shè)備。如要滿足 150 kW 的負(fù)載需求，測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將需要十臺 15 kW 電源。這個(gè)電源數(shù)量需要占用高度達(dá) 42U 的 19 英寸測試機(jī)架。如果負(fù)載需求為 450 kW，測試系統(tǒng)將需要包含三臺測試機(jī)架，占用 18 平方英尺的機(jī)架空間。如果電源需要以 93% 的最高效率運(yùn)行，測試系統(tǒng)將產(chǎn)生大量熱量 (31.5 kW)，而這些熱量是需要被去除的。

而考慮到新電源系列所要達(dá)到的目標(biāo)，更是困難重重，因此 EA 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)相對于其他方案的優(yōu)勢。

三、碳化硅 MOSFET 的效率優(yōu)于硅 IGBT

三相系統(tǒng)電源的先代產(chǎn)品采用硅絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。IGBT 能夠支持 1200 V，并提供大電流。但 IGBT 的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗也較大。相比之下，碳化硅 MOSFET 大功率半導(dǎo)體的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗則低得多。如圖 1 所示，當(dāng)用作開關(guān)時(shí)，碳化硅 MOSFET 的壓降低于等效 IGBT 的壓降。飽和碳化硅 MOSFET 的溝道電阻 RDS（通）低于飽和 IGBT 的 PN 結(jié)電阻，在低負(fù)載條件下，尤其如此。因此，碳化硅 MOSFET 的傳導(dǎo)損耗低于 IGBT 的傳導(dǎo)損耗。開關(guān)損耗方面的差異（如圖 1 右側(cè)所示）則要大得多。硅 IGBT 的電容高于碳化硅 MOSFET，因此，IGBT 關(guān)斷所需的時(shí)間更長。圖 1 顯示，碳化硅 MOSFET 的開關(guān)能量損耗降低了 10 個(gè)系數(shù)。

圖 1. 碳化硅 MOSFET 與硅 IGBT 之間的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗比較

四、碳化硅晶體管的開關(guān)，速度優(yōu)于硅晶體管

由于碳化硅 MOSFET 所需的開關(guān)時(shí)間更短，因此這些晶體管能夠以更快的開關(guān)速度工作。圖 2 顯示，無論是導(dǎo)通操作，還是關(guān)斷操作，碳化硅 MOSFET 的電壓變化率 (dv/dt) 都幾乎是硅 MOSFET 電壓變化率的兩倍。

圖 2. 硅 MOSFET（上方的圖）與碳化硅 MOSFET（下方的圖）的通斷電壓變化率比較

五、碳化硅晶體管的可靠性更高

就可靠性而言，碳化硅 MOSFET 的擊穿電壓高于其數(shù)據(jù)表規(guī)格（見圖 3）。碳化硅 MOSFET 的擊穿裕度可顯示組件在面對瞬態(tài)過壓時(shí)的穩(wěn)健性。在低溫下，碳化硅 MOSFET 具有特定擊穿電壓。IGBT 制造商則無法保證零下溫度條件下的擊穿電壓。例如，1200 V IGBT 無法在 -30 °C 時(shí)耐受 1200 V。在這個(gè)溫度下，必須對設(shè)備降額。

圖 3. 碳化硅 MOSFET 的實(shí)際擊穿電壓與溫度的關(guān)系。圖中顯示了對來自三個(gè)不同生產(chǎn)批次的組件（15 個(gè)一組）進(jìn)行的測量。

六、碳化硅晶體管的空間占用更少

碳化硅功率半導(dǎo)體和硅功率半導(dǎo)體之間的一個(gè)更顯著的區(qū)別在于晶粒尺寸。首先，相比具有同等功率的硅晶體管晶粒，碳化硅晶粒更小。其次，硅晶體管需要使用反向偏壓二極管，才能實(shí)現(xiàn)集電極與發(fā)射極之間的雙向電流。碳化硅晶體管源-漏溝道可以在任一方向上傳導(dǎo)電流。此外，碳化硅晶體管的晶體管結(jié)構(gòu)中包含寄生體二極管。因此，與硅晶體管不同，碳化硅晶體管不需要額外的二極管。以 1200 V 晶體管為例，碳化硅晶體管的晶粒面積約為硅晶體管晶粒面積的 ?。因此，布置在電源電路中的碳化硅組件所產(chǎn)生的雜散電感更小。總的來說，碳化硅封裝越小，成品的功率密度越大。

七、10000 系列新電源實(shí)現(xiàn)的宏大目標(biāo)

EA 利用碳化硅技術(shù)開發(fā)了 30 kW 可編程電源，其搭配高度為 4U 的機(jī)箱，輸出電壓可達(dá) 2000 V。較之于基于硅晶體管的型號，這些產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、效率提升了 3%

2、功率密度提高了 37%

3、240 W 電源系統(tǒng)的空間占用減少了 33%

4、240 W 電源系統(tǒng)的發(fā)熱量減少了 42%

5、單位能耗成本降低了 15-20%

得益于碳化硅晶體管的更高開關(guān)速度，新推出的 10000 系列開關(guān)模式交流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器能夠以大約 60 kHz 的頻率工作。其他廠商電源的直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率約為 30-40 kHz，相比之下，這些交流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器的速度提升了 30%。10000 系列的更高的開關(guān)頻率有助于縮減電磁組件和功率放大器的尺寸。不僅電磁組件的質(zhì)量縮減了 30%，而且設(shè)計(jì)所需的感性組件也減少了一個(gè)，這就節(jié)省了寶貴的空間，減少了熱量生成。