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作者：泰克科技 為了減緩氣候變化，人類(lèi)在非化石燃料和可再生能源解決方案方面取得了顯著(zhù)進(jìn)展，交通領(lǐng)域的電氣化進(jìn)程也在加速推進(jìn)。這些新興技術(shù)大多對電源提出了更高的要求，尤其是對大功率的需求。例如，電動(dòng)汽車(chē)（EV）的電池包電壓已高達900 VDC以上，容量可達95kWh；快充和超充系統功率更是輕松突破240kW。氫燃料電池堆作為另一種汽車(chē)供電技術(shù)，其功率可超過(guò)500kW，電流高達1000A。 市場(chǎng)需求下的挑戰 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)支撐運行，服務(wù)器場(chǎng)正從交流配電轉型為直流配電，其工作電壓達360VDC，電流容量達2000A。此外，許多新興技術(shù)直接把電壓拉到1800 VDC的級別。 
面對測試這些大功率產(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、以及有助于減小測試系統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 - 半導體場(chǎng)效應晶體管）設計需要三個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管才能實(shí)現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模塊才能達到1500VDC。三個(gè)5kW功率模塊組成一個(gè)15kW的電源設備。為了滿(mǎn)足150kW的負載需求，測試系統設計人員需要十個(gè)15kW的電源，這些電源足以填滿(mǎn)一個(gè)42U高、19英寸寬的測試機架。如果負載需求進(jìn)一步增加到450kW，測試系統將需要三個(gè)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，測試系統將產(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)現新型電源所要達到的目標，更是困難重重，設計團隊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。 碳化硅MOSFET的效率優(yōu)于硅IGBT 三相系統電源的先代產(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體器件，其導通和開(kāi)關(guān)損耗顯著(zhù)低于傳統硅IGBT。如圖1所示，當用作開(kāi)關(guān)時(shí)，碳化硅MOSFET的電壓降明顯低于等效IGBT。碳化硅MOSFET的導通電阻（RDS(on)）在低負載條件下也低于飽和IGBT的pn結電阻，從而降低了導通損耗。此外，開(kāi)關(guān)損耗的差異更為顯著(zhù)。硅IGBT的電容更高，且關(guān)斷時(shí)間更長(cháng)。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據手冊規格（見(jiàn)圖3）。這一特性表明碳化硅MOSFET在面對瞬態(tài)過(guò)壓時(shí)具有更強的魯棒性。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)組件的測量結果。 碳化硅晶體管空間占用更少 碳化硅和硅功率半導體之間的另一個(gè)顯著(zhù)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)方向上導電。此外，碳化硅晶體管的寄生體二極管是晶體管結構的一部分。因此，硅晶體管所需的額外二極管對于碳化硅晶體管來(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)品能夠實(shí)現更高的功率密度。 EA10000系列電源實(shí)現的目標 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2000V。與傳統基于硅晶體管的同類(lèi)產(chǎn)品相比，這些電源在多個(gè)關(guān)鍵性能指標上實(shí)現了顯著(zhù)提升：效率提高了3%，功率密度提升了37%，240W電源系統的占地面積減少了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(zhù)減小，還使磁性元件的質(zhì)量減少了30%，并且設計中少了一個(gè)電感元件，從而節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)目標是： • 實(shí)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(guò)程中，團隊深入探討了是采用傳統的基于硅（Si）晶體管技術(shù)，還是采用更新的碳化硅（SiC）功率晶體管。如果使用現有的硅半導體技術(shù)，在開(kāi)關(guān)模式設計下，電源設備的能效最高可達93%，并且當采用5kW功率模塊時(shí)，可實(shí)現的功率密度為9.2W/in3。 更多了解EA大功率電源測試解決方案，https://www.tek.com.cn/products/ea。 |
