傾佳電子陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)電源系統(tǒng)架構(gòu)及SiC器件替代超結(jié)MOSFET的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車(chē)連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國(guó)工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車(chē)連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級(jí)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢(shì)！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢(shì)！

1. 引言：陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)電源系統(tǒng)的技術(shù)革新與SiC器件的崛起

1.1 陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)電源系統(tǒng)在分布式能源中的戰(zhàn)略定位

隨著全球?qū)稍偕茉春吞贾泻湍繕?biāo)的日益關(guān)注，分布式能源系統(tǒng)正迎來(lái)快速發(fā)展。陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)（PV-Storage for Balconies）作為一種創(chuàng)新的微型分布式能源解決方案，因其安裝簡(jiǎn)便、靈活部署的特點(diǎn)，在城市居民家庭中迅速普及。這類系統(tǒng)通常由光伏組件、電池儲(chǔ)能單元和核心的微逆變器或儲(chǔ)能一體機(jī)組成，旨在實(shí)現(xiàn)自發(fā)自用、余電上網(wǎng)或備用電源等功能。

在陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)這類對(duì)體積、效率和可靠性有著極致要求的應(yīng)用場(chǎng)景中，電源系統(tǒng)的核心——功率變換器，面臨著嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)基于硅（Si）基超結(jié)（Super-Junction, SJ）MOSFET的功率器件，在滿足基礎(chǔ)功能的同時(shí)，其性能瓶頸也日益凸顯。超結(jié)MOSFET通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)通電阻與擊穿電壓的折衷關(guān)系，在過(guò)去數(shù)十年間成為高壓功率變換的主流，但在高頻化、高效率追求下，其開(kāi)關(guān)損耗、體二極管反向恢復(fù)等固有問(wèn)題限制了系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。

1.2 碳化硅（SiC）器件的技術(shù)導(dǎo)入背景與核心價(jià)值

碳化硅（SiC）作為一種寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體材料，其物理特性相較于硅有著本質(zhì)的優(yōu)越性，包括更大的禁帶寬度、更高的熱導(dǎo)率、更高的臨界電場(chǎng)強(qiáng)度和飽和電子遷移速率。這些優(yōu)異的物理特性直接轉(zhuǎn)化為器件級(jí)的性能飛躍，使得SiC MOSFET能夠?qū)崿F(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻、更高的開(kāi)關(guān)速度和更高的工作溫度。

因此，SiC器件的出現(xiàn)為陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)電源系統(tǒng)提供了理想的解決方案。它不僅僅是超結(jié)MOSFET的簡(jiǎn)單替代，更代表了一種技術(shù)路線的革新。SiC器件憑借其出色的性能，能夠解決傳統(tǒng)硅基器件在高頻、高功率密度應(yīng)用中的核心瓶頸，從而在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)效率、功率密度和可靠性的全面提升 。傾佳電子將圍繞基本半導(dǎo)體（BASiC）的SiC MOSFET產(chǎn)品，詳細(xì)分析其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并探討其如何賦能陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)性能的突破性提升。

2. 陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)電源系統(tǒng)架構(gòu)：從宏觀到微觀的拓?fù)湓O(shè)計(jì)

2.1 陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)系統(tǒng)的功能模塊與能量流

一個(gè)典型的陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)電源系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)功能模塊：

光伏陣列：負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為直流電能。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)：存儲(chǔ)多余的電能，以供夜間或陰雨天使用。

MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）單元：通常集成在逆變器中，通過(guò)調(diào)節(jié)光伏陣列的工作電壓和電流，確保其始終工作在最大功率點(diǎn)。

逆變器/儲(chǔ)能一體機(jī)：系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換，將光伏組件和電池的直流電能轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)要求的交流電。

并網(wǎng)點(diǎn)：系統(tǒng)與公共電網(wǎng)的連接點(diǎn)。

能量流通常遵循以下路徑：光伏陣列產(chǎn)生的電能首先供給家庭負(fù)載，多余的電能則存儲(chǔ)在電池中。當(dāng)光伏發(fā)電不足時(shí)，電池放電或從電網(wǎng)取電補(bǔ)充。在這一過(guò)程中，效率、穩(wěn)定性和體積是衡量系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.2 核心功率變換器拓?fù)洌簾o(wú)橋PFC與圖騰柱PFC

為了實(shí)現(xiàn)陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)高效率和高功率密度的追求，功率變換器通常采用先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如無(wú)橋PFC和圖騰柱PFC，以替代傳統(tǒng)的有橋整流方案。

無(wú)橋PFC拓?fù)洌˙ridgeless PFC） 無(wú)橋PFC拓?fù)渫ㄟ^(guò)移除傳統(tǒng)的二極管整流橋，消除了整流橋帶來(lái)的導(dǎo)通損耗，從而顯著提高了AC/DC轉(zhuǎn)換的效率。這一拓?fù)溆绕溥m用于追求極致效率的應(yīng)用 。無(wú)橋PFC拓?fù)渫ǔ０瑑蓚€(gè)電感，然而，電感參數(shù)的差異可能導(dǎo)致交流側(cè)電流的正負(fù)半周不對(duì)稱 。為了解決這個(gè)問(wèn)題，高效率的雙Boost無(wú)橋PFC拓?fù)鋺?yīng)運(yùn)而生，它通過(guò)精巧的電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了更佳的性能。這類拓?fù)湓诠夥⒕W(wǎng)逆變器中得到了廣泛應(yīng)用 。

圖騰柱PFC拓?fù)洌═otem-Pole PFC） 圖騰柱PFC是另一種用于高功率因數(shù)校正的高效拓?fù)?，尤其適合與SiC器件配合。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，減少導(dǎo)通路徑，從而在高頻工作時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的效率和性能 。在光伏逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)中，圖騰柱PFC常用于AC/DC前端，它能夠?qū)崿F(xiàn)雙向功率流，既可用于AC/DC整流，也可用于DC/AC逆變 。SiC MOSFET的“零”反向恢復(fù)特性使其成為圖騰柱PFC高頻橋臂開(kāi)關(guān)的理想選擇，因?yàn)樵谟查_(kāi)關(guān)換流過(guò)程中，幾乎沒(méi)有反向恢復(fù)損耗，這對(duì)于高頻操作至關(guān)重要 。

2.3 深度洞察：拓?fù)溥x擇與SiC器件優(yōu)勢(shì)的協(xié)同作用

陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)電源系統(tǒng)對(duì)高功率密度和高效率的追求，形成了一個(gè)“技術(shù)協(xié)同效應(yīng)”的鏈條。SiC器件的導(dǎo)入是這一鏈條中的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力。其高頻開(kāi)關(guān)能力允許變換器工作在更高的頻率，進(jìn)而直接影響系統(tǒng)中的無(wú)源元件。

在高頻操作下，電感和電容等無(wú)源元件所需的感量和容量會(huì)顯著減小，這意味著它們的物理尺寸和重量也可以大幅降低 。例如，在LLC諧振變換器中，將開(kāi)關(guān)頻率提高到500kHz，可以使變壓器體積和重量減少50% 。這種小型化使得整個(gè)電源模塊的功率密度得到極大提升，完美契合了陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)設(shè)備對(duì)輕量化和緊湊性的需求。

此外，雖然SiC器件的高速開(kāi)關(guān)會(huì)產(chǎn)生較高的 dV/dt 和 dI/dt，可能帶來(lái)電磁干擾（EMI）和電壓過(guò)沖等挑戰(zhàn) ，但這一特性本身也意味著更低的開(kāi)關(guān)損耗。因此，關(guān)鍵在于如何通過(guò)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路和PCB設(shè)計(jì)來(lái)有效管理和利用高 dV/dt。例如，采用帶有Kelvin源極的四引腳封裝SiC MOSFET可以有效降低柵極驅(qū)動(dòng)回路的雜散電感，從而在保持高速開(kāi)關(guān)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，抑制開(kāi)關(guān)尖峰。

3. SiC MOSFET器件核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)的實(shí)證分析

為了量化SiC器件相較于傳統(tǒng)硅基器件的優(yōu)勢(shì)，本節(jié)將以基本半導(dǎo)體B3M040065Z型號(hào)的650V/40mΩ SiC MOSFET為核心，結(jié)合其在常溫（25°C）和高溫（125°C）下的靜態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)損耗及體二極管反向恢復(fù)特性，與競(jìng)品進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 關(guān)鍵靜態(tài)參數(shù)：B3M040065Z與其他競(jìng)品的全面比較

B3M040065Z是一款650V/40mΩ的SiC MOSFET，采用TO-247-4封裝，并具有Kelvin源極引腳，旨在降低驅(qū)動(dòng)回路的共源電感。其數(shù)據(jù)手冊(cè)中明確列出了與同類競(jìng)品（如Infineon、CREE、ST）在關(guān)鍵靜態(tài)參數(shù)上的對(duì)比 。

下表匯總了B3M040065Z與其主要競(jìng)品的關(guān)鍵靜態(tài)參數(shù)，這些數(shù)據(jù)是評(píng)估器件導(dǎo)通損耗、熱性能和驅(qū)動(dòng)兼容性的重要依據(jù)。

表1：650V/40mΩ SiC MOSFET關(guān)鍵靜態(tài)參數(shù)對(duì)比

分析這些數(shù)據(jù)，可以得出以下關(guān)鍵結(jié)論：

導(dǎo)通電阻和電流能力：B3M040065Z在 25°C 時(shí)具有40mΩ的典型導(dǎo)通電阻，并且在100°C下仍能維持47A的連續(xù)電流，表現(xiàn)出良好的電流承載能力。

熱性能：B3M040065Z的結(jié)到殼熱阻僅為0.6^{circ}C/W$，遠(yuǎn)低于大部分競(jìng)品，這意味著在相同的散熱條件下，器件的溫升更低，從而允許更高的功率輸出或提供更高的系統(tǒng)可靠性。

米勒效應(yīng)抑制能力：B3M040065Z的C_{iss}/C_{rss}比值高達(dá)220，這在很大程度上降低了器件在開(kāi)關(guān)串?dāng)_行為下的誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn) 。這是 SiC 器件一項(xiàng)關(guān)鍵的抗干擾性能指標(biāo)。

3.2 動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)性能：基于雙脈沖測(cè)試（DPT）的損耗與速度分析

雙脈沖測(cè)試（DPT）是評(píng)估開(kāi)關(guān)器件動(dòng)態(tài)性能的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。通過(guò)在特定母線電壓、導(dǎo)通電流和柵極驅(qū)動(dòng)條件下進(jìn)行測(cè)試，可以直接測(cè)量器件的開(kāi)關(guān)損耗（E_{on}和E_{off}）。

下表列出了B3M040065Z在典型雙脈沖測(cè)試條件下的開(kāi)關(guān)損耗數(shù)據(jù)，并與競(jìng)品進(jìn)行了對(duì)比。測(cè)試條件為：母線電壓400V，導(dǎo)通電流20A，柵極驅(qū)動(dòng)電壓$-4V/+18V$，柵極電阻Rgon?=15Ω、Rgoff?=10Ω，雜散電感53nH。

表2：650V/40mΩ SiC MOSFET雙脈沖測(cè)試結(jié)果對(duì)比

這些數(shù)據(jù)清晰地展示了B3M040065Z的開(kāi)關(guān)性能優(yōu)勢(shì)。尤其是在關(guān)斷損耗方面，其在25°C和125°C下都顯著低于競(jìng)品 。關(guān)斷損耗是高頻應(yīng)用中的主要損耗來(lái)源之一，其表現(xiàn)直接決定了變換器在高頻下的效率。B3M040065Z在高溫下僅34μJ的關(guān)斷損耗，表明其在高頻、高溫工況下仍能保持極高的效率，這是實(shí)現(xiàn)小型化和無(wú)散熱片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵基礎(chǔ) 。

3.3 體二極管特性：SiC器件“零”反向恢復(fù)的革命性意義

在橋式拓?fù)渲?，體二極管作為續(xù)流二極管發(fā)揮關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)硅基超結(jié)MOSFET的體二極管存在嚴(yán)重的反向恢復(fù)問(wèn)題，即在由導(dǎo)通向關(guān)斷轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電流峰值 (Irr,peak?) 和反向恢復(fù)電荷 (Qrr?)，這會(huì)造成額外的開(kāi)關(guān)損耗，并產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。

SiC MOSFET的體二極管則具有革命性的“零”反向恢復(fù)特性。其$I_{rr,peak}和Q_{rr}$極低，在高頻硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，換流損耗幾乎可以忽略不計(jì)。這是SiC器件相較于硅基器件最核心的優(yōu)勢(shì)之一，也是其在高頻圖騰柱PFC等拓?fù)渲袘?yīng)用的核心論據(jù)。

下表列出了B3M040065Z在雙脈沖測(cè)試中的體二極管反向恢復(fù)特性，并與競(jìng)品進(jìn)行了對(duì)比。

表3：650V/40mΩ SiC MOSFET體二極管反向恢復(fù)特性對(duì)比

數(shù)據(jù)顯示，B3M040065Z在25°C和125°C下的$Q_{rr}和I_{rr,peak}$均處于極低水平，與其他優(yōu)秀SiC競(jìng)品相當(dāng)，遠(yuǎn)優(yōu)于任何硅基MOSFET 。極小的反向恢復(fù)電荷量意味著在換流過(guò)程中，幾乎沒(méi)有額外的能量損耗，這在高頻硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中是實(shí)現(xiàn)高效率的根本保障。

4. SiC器件在無(wú)橋PFC拓?fù)渲械膶?shí)證分析：基于PLECS仿真

4.1 無(wú)橋PFC拓?fù)涞腜LECS仿真模型與參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證SiC器件在實(shí)際應(yīng)用拓?fù)渲械男阅鼙憩F(xiàn)，基本半導(dǎo)體采用PLECS軟件對(duì)無(wú)橋PFC拓?fù)溥M(jìn)行了仿真 。該仿真旨在評(píng)估B3M040065Z SiC MOSFET在接近實(shí)際工況下的損耗和結(jié)溫，以驗(yàn)證其高效率和熱可靠性。

仿真模型中，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下：

拓?fù)?/strong>：無(wú)橋PFC 。

直流母線電壓：400V 。

交流線電壓：180V/220V/264V 。

總功率：3.3kW / 3.6kW 。

載波頻率：65kHz 。

死區(qū)時(shí)間：300ns 。

熱管理設(shè)置：TO-247封裝器件通過(guò)導(dǎo)熱硅脂和氧化鋁陶瓷片連接至90℃的散熱器 。

4.2 不同工況下SiC器件的損耗與結(jié)溫表現(xiàn)

仿真結(jié)果量化了B3M040065Z在不同輸入電壓和功率下的損耗分布和熱性能。下表列出了在散熱器溫度為90℃下的仿真數(shù)據(jù)。

表4：無(wú)橋PFC拓?fù)渲蠦3M040065Z的損耗與結(jié)溫仿真結(jié)果

交流線電壓 (Vac?)	總功率 (Ptotal?)	MOSFET電流有效值 (Irms?)	導(dǎo)通損耗 (Pcond?)	開(kāi)關(guān)損耗 (Psw?)	總損耗 (Ptotal_loss?)	最高結(jié)溫 (Tj,max?)
180V	3.3kW	12.96A	7.57W	4.09W	11.67W	109.93℃
220V	3.3kW	10.61A	4.95W	3.45W	8.41W	103.63℃
264V	3.3kW	8.84A	3.38W	3.00W	6.39W	100.25℃
180V	3.6kW	14.14A	9.07W	4.43W	13.50W	112.98℃
220V	3.6kW	11.57A	5.92W	3.71W	9.63W	105.49℃
264V	3.6kW	9.64A	4.03W	3.20W	7.24W	101.85℃
注：此為PLECS理論仿真結(jié)果，僅供參考，實(shí)際以臺(tái)架測(cè)試為準(zhǔn) 。

4.3 洞察：SiC器件對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能的綜合量化優(yōu)勢(shì)

PLECS仿真結(jié)果有力地證明了SiC MOSFET在無(wú)橋PFC拓?fù)渲械膬?yōu)越性能。數(shù)據(jù)顯示，即使在3.6kW的高功率輸出和180V的低輸入電壓下，MOSFET的總損耗也僅為13.5W，對(duì)應(yīng)的最高結(jié)溫僅為112.98℃，遠(yuǎn)低于175℃的最高額定結(jié)溫 。這一結(jié)果帶來(lái)了多重系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)：

顯著降低散熱需求：低損耗意味著更少的發(fā)熱。在散熱器溫度高達(dá)90℃的嚴(yán)苛條件下，器件結(jié)溫仍能保持在安全范圍。這使得在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以顯著減小甚至取消散熱片，從而大幅縮小電源模塊的體積和重量 。

提升系統(tǒng)可靠性：更低的運(yùn)行溫度可有效延長(zhǎng)所有元器件的壽命，特別是對(duì)溫度敏感的電解電容等，從而提高系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性和穩(wěn)定性。

高功率密度設(shè)計(jì)：結(jié)合高頻化帶來(lái)的無(wú)源元件小型化，和低損耗帶來(lái)的散熱器小型化，SiC器件從兩個(gè)維度共同推動(dòng)了電源模塊向高功率密度方向發(fā)展。

此外，基本半導(dǎo)體提供B3M040065系列SiC MOSFET的多種封裝，包括TO-247-4、TOLL和TOLT等 。TO-247-4是經(jīng)典的通孔封裝，散熱性能優(yōu)秀；而TOLL和TOLT則是表面貼裝封裝，具有低雜散電感和頂部散熱的優(yōu)勢(shì) 。這種多樣化的封裝選擇，為設(shè)計(jì)人員提供了極大的靈活性，可以根據(jù)具體的空間、散熱和自動(dòng)化生產(chǎn)要求，選擇最優(yōu)的器件，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最大化。

5. SiC器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)：確保高頻可靠運(yùn)行

SiC MOSFET的高速開(kāi)關(guān)特性雖帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路提出了更高的要求。設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)方案是充分發(fā)揮SiC器件性能并確保系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。

5.1 SiC器件對(duì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)的特殊要求

與傳統(tǒng)的硅基MOSFET相比，SiC MOSFET的門(mén)檻電壓（VGS(th)?）較低且具有負(fù)溫漂特性，即隨著溫度升高，$V_{GS(th)}$會(huì)略微下降 。這使得器件在高溫下更容易受到雜散電感引起的噪聲干擾而發(fā)生誤開(kāi)通，導(dǎo)致橋臂直通，造成災(zāi)難性故障。此外，SiC MOSFET的快速開(kāi)關(guān)需要柵極驅(qū)動(dòng)器提供高強(qiáng)度的瞬時(shí)拉/灌電流能力，以快速對(duì)柵極電容（ QG?）進(jìn)行充放電，從而實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)的開(kāi)關(guān)速度。

5.2 米勒效應(yīng)（Miller Effect）：成因、危害與抑制方案

米勒效應(yīng)是橋式電路中常見(jiàn)的串?dāng)_現(xiàn)象，其物理成因如下：當(dāng)橋臂上管開(kāi)通時(shí)，其漏源電壓 (VDS?) 快速下降，導(dǎo)致橋臂中點(diǎn)電壓迅速抬升。這一高 dV/dt 會(huì)通過(guò)下管的柵漏寄生電容 (Cgd?) 產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)米勒電流 (Igd?)。該電流在下管關(guān)斷回路的柵極電阻 (Rgoff?) 和寄生電感上產(chǎn)生電壓，使得下管的柵源電壓 (VGS?) 被抬高。如果 VGS? 超過(guò)了器件的門(mén)檻電壓 (VGS(th)?)，就會(huì)導(dǎo)致下管誤開(kāi)通，造成上下管直通，損壞器件 。

為了有效抑制米勒效應(yīng)，業(yè)界發(fā)展了多種方案：

負(fù)偏置關(guān)斷：通過(guò)在關(guān)斷時(shí)施加負(fù)柵極電壓，使柵極電壓有更大的裕量來(lái)抵抗米勒效應(yīng)導(dǎo)致的電壓抬升 。

米勒鉗位功能：這是最有效的解決方案之一。它通過(guò)在柵極和負(fù)電源之間提供一個(gè)低阻抗的鉗位路徑，可以快速吸收米勒電流，將柵極電壓鉗位在安全水平，從而防止誤開(kāi)通 。

5.3 專用門(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片BTD5350x：米勒鉗位功能及實(shí)測(cè)效果

為了滿足SiC MOSFET苛刻的驅(qū)動(dòng)需求，基本半導(dǎo)體推出了BTD5350x系列單通道隔離型門(mén)極驅(qū)動(dòng)器 。該系列芯片具有10A的峰值輸出電流和低至60ns的傳輸延時(shí)，專為驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET等功率器件而設(shè)計(jì) 。

其中，BTD5350M版本特別集成了米勒鉗位（Miller Clamp）功能 。其工作原理是在器件關(guān)斷期間，當(dāng)柵極電壓被米勒電流抬高但仍低于某一閾值（例如2V）時(shí)，芯片內(nèi)部的鉗位開(kāi)關(guān)會(huì)被激活，提供一個(gè)低阻抗路徑將柵極電壓拉至負(fù)電源軌，從而有效抑制米勒電壓尖峰，防止器件誤導(dǎo)通 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在沒(méi)有米勒鉗位功能的情況下，下管的門(mén)極電壓可能會(huì)被抬高至7.3V，導(dǎo)致誤開(kāi)通，而有米勒鉗位功能時(shí)，這一電壓可被有效抑制在2V以下，顯著提升了系統(tǒng)的抗直通能力 。

5.4 驅(qū)動(dòng)電源BTP1521x：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體小型化

除了主功率電路，驅(qū)動(dòng)電路的供電電源也對(duì)系統(tǒng)的整體性能和體積有重要影響。傳統(tǒng)的輔助電源設(shè)計(jì)通常體積較大，在高功率密度系統(tǒng)中成為瓶頸。

基本半導(dǎo)體的BTP1521x是一款正激DCDC開(kāi)關(guān)電源芯片，其最高工作頻率可達(dá)1.3MHz 。這一高頻特性使得與之配套的驅(qū)動(dòng)變壓器（如TR-P15DS23-EE13）尺寸可以大幅減小 。通過(guò)搭配BTD5350x驅(qū)動(dòng)芯片和高頻變壓器，BTP1521x能夠?yàn)镾iC MOSFET的隔離驅(qū)動(dòng)提供高效、緊湊的供電方案，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的整體小型化，與SiC MOSFET在高功率密度上的優(yōu)勢(shì)相得益彰 。此外，BTP1521x還集成了軟啟動(dòng)、欠壓保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)等功能，進(jìn)一步增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性 。

6. 結(jié)論與設(shè)計(jì)建議

6.1 SiC器件在陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)系統(tǒng)中的綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)總結(jié)

傾佳電子通過(guò)對(duì)基本半導(dǎo)體650V/40mΩ SiC MOSFET（B3M040065Z）及其配套方案的分析，系統(tǒng)性地闡明了SiC器件在陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)電源系統(tǒng)中的綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)不僅僅局限于單個(gè)器件的性能提升，更通過(guò)與先進(jìn)拓?fù)?、專用?qū)動(dòng)和高頻輔助電源的協(xié)同，在系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)了革命性的進(jìn)步。

綜合來(lái)看，SiC器件替代傳統(tǒng)超結(jié)MOSFET帶來(lái)的核心價(jià)值包括：

高效率：極低的開(kāi)關(guān)損耗和近乎為零的反向恢復(fù)損耗，使系統(tǒng)在整個(gè)工作頻率和溫度范圍內(nèi)均保持高效率。

高功率密度：SiC器件的高頻開(kāi)關(guān)能力使得無(wú)源元件（電感、電容）得以小型化，低損耗特性則減少了對(duì)散熱器的依賴，結(jié)合TOLL/TOLT等頂部散熱封裝，極大地提高了系統(tǒng)的功率密度。

高可靠性：優(yōu)越的熱特性、對(duì)米勒效應(yīng)的天然抑制能力，以及與帶米勒鉗位功能的專用門(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片的配合，共同保障了系統(tǒng)在高頻、高溫下的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

6.2 針對(duì)SiC器件選型、拓?fù)湓O(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)踐性建議

對(duì)于陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工程師，我們提出以下實(shí)踐性建議：

器件選型：優(yōu)先考慮采用如B3M040065Z系列等650V SiC MOSFET。這些器件的低導(dǎo)通電阻、低熱阻和高C_{iss}/C_{rss}比值，為設(shè)計(jì)高效率、高可靠性的電源模塊提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在對(duì)體積有嚴(yán)格要求的應(yīng)用中，可以考慮TOLT或TOLL等表面貼裝封裝。

拓?fù)湓O(shè)計(jì)：采用無(wú)橋PFC或圖騰柱PFC等先進(jìn)拓?fù)?，以充分利用SiC器件的高頻低損耗優(yōu)勢(shì)。這不僅能提升效率，還能通過(guò)高頻化實(shí)現(xiàn)無(wú)源器件的小型化。

驅(qū)動(dòng)電路：務(wù)必使用帶有米勒鉗位功能的專用SiC門(mén)極驅(qū)動(dòng)芯片，如BTD5350x系列，以有效抑制米勒效應(yīng)，防止誤開(kāi)通。同時(shí)，可搭配高頻輔助電源芯片，如BTP1521x，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電源的微型化，進(jìn)一步提升系統(tǒng)整體的功率密度。

深圳市傾佳電子有限公司（簡(jiǎn)稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動(dòng)者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車(chē)連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：
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6.3 未來(lái)SiC技術(shù)在光儲(chǔ)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)展望

SiC技術(shù)在光儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于快速發(fā)展階段。隨著SiC晶圓尺寸的增大和制造工藝的成熟，SiC器件的成本將持續(xù)下降，其性能也將不斷突破。未來(lái)，我們預(yù)計(jì)將看到更多針對(duì)特定光儲(chǔ)應(yīng)用優(yōu)化的SiC集成模塊出現(xiàn)，將功率器件、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路高度集成，進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提升可靠性。同時(shí)，更高功率密度的封裝技術(shù)和更智能化的驅(qū)動(dòng)控制方案也將不斷涌現(xiàn)，共同推動(dòng)陽(yáng)臺(tái)光儲(chǔ)乃至整個(gè)新能源產(chǎn)業(yè)邁向更高效率、更小體積和更長(zhǎng)壽命的新時(shí)代 。

審核編輯 黃宇