針對(duì)任何應(yīng)用領(lǐng)域的工程師都加入了他們對(duì)效率、功率密度和成本的擔(dān)憂。而且，即使他們還沒有用它進(jìn)行設(shè)計(jì)，他們也意識(shí)到解決方案可能在于碳化硅（SiC）技術(shù)。

本文解決了這些問題，并通過并排比較，證明碳化硅（SiC）是迄今為止高功率應(yīng)用中比硅（Si）基器件更好的選擇。該演示使用UPS和充電器系統(tǒng)的重要組成部分，即有源前端（AFE），以探索尺寸和功率密度，功率損耗和效率以及物料清單（BOM）成本的改進(jìn)。

因此，本文旨在將SiC優(yōu)勢的一般認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為更清晰的理解，通過根深蒂固的低效率技術(shù)為基于SiC的設(shè)計(jì)體驗(yàn)掃清道路。

廣泛的挑戰(zhàn)

AFE設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)可以廣泛地表示為工程師想要的更改的愿望清單：

降低半導(dǎo)體器件中的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗

更小、更輕的冷卻系統(tǒng)

更小、更輕的無源器件—電容器和電感器

所有這些都降低了運(yùn)營成本和BOM成本

任何同時(shí)解決所有這些挑戰(zhàn)的技術(shù)確實(shí)都會(huì)對(duì)產(chǎn)品競爭力和環(huán)境產(chǎn)生重大影響。

為什么選擇碳化硅？

碳化硅使工程師能夠根據(jù)材料和由此產(chǎn)生的器件特性檢查上面列表中的項(xiàng)目。

與傳統(tǒng)的Si技術(shù)相比，SiC器件的導(dǎo)通電壓降比Si低2-3倍，從而降低了SiC開關(guān)中的傳導(dǎo)損耗。由于SiC器件是大多數(shù)載波，因此它們提供比Si更高的邊沿速率（di/dt）。其擊穿場比Si高10倍，使SiC器件能夠在同一封裝中承受更高的電壓。

與Si的1.5 W/cmK相比，3.3-4.5 W/cmK的導(dǎo)熱系數(shù)更高，使SiC器件能夠更快地傳導(dǎo)熱量，有助于降低系統(tǒng)中的冷卻要求。此外，SiC芯片溫度可以達(dá)到250-300°C（而Si為125°C），Wolfspeed器件中的結(jié)溫可以高達(dá)175°C，然后才能影響可靠性。這意味著設(shè)備可以運(yùn)行得更熱，并且冷卻裝置更小。

與硅版本相比，沃氏的碳化硅功率模塊具有以下優(yōu)勢：

它們以應(yīng)用為目標(biāo)，提供具有各種電壓和電流額定值、外形尺寸的模塊選擇，以及開關(guān)和傳導(dǎo)優(yōu)化

與IGBT模塊相比，它們具有更低的RDS（ON）

它們提供更快的開關(guān)速度

它們具有較低的開關(guān)損耗

AFE拓?fù)涞膽?yīng)用優(yōu)勢:

AFE適用于幾乎所有并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。圖顯示了當(dāng)今新興市場中兩種突出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。雙轉(zhuǎn)換UPS架構(gòu)包括一個(gè)AFE或整流器、一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器和一個(gè)逆變器。在正常功率流中，一小電流進(jìn)入DC/DC轉(zhuǎn)換器，以保持電池充電。大部分電力通過直流鏈路發(fā)送到逆變器，在那里它為負(fù)載供電。

在電源故障下，AFE停止開關(guān)，DC/DC轉(zhuǎn)換器將電源從電池發(fā)送到逆變器以饋送負(fù)載。一些應(yīng)用可能還使用電池來補(bǔ)償較差的負(fù)載或電網(wǎng)側(cè)電源質(zhì)量。

在板外直流快速充電器中，AFE將轉(zhuǎn)換器連接到電網(wǎng)。它將電網(wǎng)電壓整流為穩(wěn)定的直流母線電壓，然后可用于為電池充電。板外充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更簡單，AFE直接與DC-DC轉(zhuǎn)換器連接，可快速為EV充電。

更小、更輕的冷卻系統(tǒng)

SiC技術(shù)允許的高MOSFET結(jié)溫以及XM3的低損耗對(duì)冷卻要求有直接影響。

每個(gè)模塊的損耗為1.11 kW，每個(gè)EconoDUAL都需要安裝在一個(gè)大散熱器上，每個(gè)散熱器上各有一個(gè)推桿和拉風(fēng)扇，以實(shí)現(xiàn)足夠的氣流，從而提高冷卻效率。冷卻系統(tǒng)容積為6.4 L/模塊。

鑒于損耗降低了40%，XM3需要一個(gè)更小的散熱器和一個(gè)風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果（40°C）。冷卻系統(tǒng)容積僅為3.7 L。

冷卻系統(tǒng)體積減少42%的同時(shí)，還有另一個(gè)優(yōu)勢—AFE系統(tǒng)散熱解決方案成本降低70%。

對(duì)被動(dòng)因素的影響

通過將開關(guān)頻率從8 kHz提高到25 kHz提高三倍，基于SiC的AFE需要更小的無源器件

如前所述，所需的電感也可以降低三倍，從IGBT設(shè)計(jì)的100μH降低到30μH。由此產(chǎn)生的物理尺寸減少約37%。此外，電感器中的I2R損耗也降低了近20%。

對(duì)于AFE示例所需的功率水平，XM3設(shè)計(jì)中磁性元件（包括磁芯和銅繞組）的成本比基于IGBT的AFE低75%。

由于開關(guān)頻率增加，對(duì)所需直流鏈路電容的影響是相似的。對(duì)于IGBT變體，需要1800μF，而基于SiC MOSFET的設(shè)計(jì)只需要550μF電容。圖6中的并排比較表明所需電容的體積減少了54%。

無錫國晶微半導(dǎo)體技術(shù)有限公司是寬禁帶第三代半導(dǎo)體碳化硅SiC功率器件、氮化鎵GaN光電器件以及常規(guī)集成電路研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的高科技創(chuàng)新型企業(yè)，從事碳化硅場效應(yīng)管，碳化硅肖特基二極管、GaN光電光耦繼電器、單片機(jī)集成電路等產(chǎn)品芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與銷售并提供相關(guān)產(chǎn)品整體方案設(shè)計(jì)配套服務(wù)，總部位于江蘇省無錫市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，并在杭州、深圳和香港設(shè)有研發(fā)中心和銷售服務(wù)支持中心及辦事處。

公司具有國內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)實(shí)力，專注于為客戶提供高效能、低功耗、低阻值、品質(zhì)穩(wěn)定的碳化硅高低功率器件及光電集成電路產(chǎn)品，同時(shí)提供一站式的應(yīng)用解決方案和現(xiàn)場技術(shù)支持服務(wù)，使客戶的系統(tǒng)性能優(yōu)異、靈活可靠，并具有成本競爭力。

公司的碳化硅功率器件涵蓋650V/2A-100A，1200V/2A-90A，1700V/5A-80A等系列，產(chǎn)品已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，產(chǎn)品完全可以對(duì)標(biāo)國際品牌同行的先進(jìn)品質(zhì)及水平。先后推出全電流電壓等級(jí)碳化硅肖特基二極管、通過工業(yè)級(jí)、車規(guī)級(jí)可靠性測試的碳化硅MOSFET系列產(chǎn)品，性能達(dá)到國際先進(jìn)水平，應(yīng)用于太陽能逆變電源、新能源電動(dòng)汽車及充電樁、智能電網(wǎng)、高頻電焊、軌道交通、工業(yè)控制特種電源、國防軍工等領(lǐng)域。由于其具有高速開關(guān)和低導(dǎo)通電阻的特性，即使在高溫條件下也能體現(xiàn)優(yōu)異的電氣特性，大幅降低開關(guān)損耗，使元器件更小型化及輕量化，效能更高效，提高系統(tǒng)整體可靠性，可使電動(dòng)汽車在續(xù)航里程提升10%，整車重量降低5%左右，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)用充電樁的高溫環(huán)境下安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

特別在高低壓光耦半導(dǎo)體技術(shù)方面更是擁有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。在國內(nèi)創(chuàng)先設(shè)計(jì)開發(fā)了28nm光敏光柵開關(guān)PVG芯片技術(shù)，并成功量產(chǎn)應(yīng)用于60V、400V、600V高低壓、低內(nèi)阻、低電容的光電耦合繼電器芯片、涵蓋1500kVrms SOP超小封裝及3750kVrms隔離增強(qiáng)型常規(guī)SMD、DIP等不同封裝，單路、雙路、混合雙路、常開常閉等電路產(chǎn)品，另包括200V SOI MOS/LIGBT集成芯片、100V CMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit單片機(jī)等集成電路產(chǎn)品，均獲得市場及各重點(diǎn)科研單位、檢測機(jī)構(gòu)的新產(chǎn)品認(rèn)定。

公司核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)中大部分工程師擁有碩士及以上學(xué)位，并有多名博士主持項(xiàng)目的開發(fā)。公司建立了科技創(chuàng)新和知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理的規(guī)范體系，在電路設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體器件及工藝設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、器件模型提取等方面積累了眾多核心技術(shù)，擁有多項(xiàng)國際、國內(nèi)自主發(fā)明專利。

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