傾佳電子技術報告：大功率礦機算力電源的拓撲架構、SiC MOSFET應用及其發(fā)展趨勢

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務于中國工業(yè)電源、電力電子設備和新能源汽車產業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產SiC碳化硅模塊在電力電子應用中全面取代進口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產業(yè)升級！

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

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！

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！

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

I. 執(zhí)行摘要

大功率礦機算力電源（PSU）在追求極致效率和高功率密度方面，面臨著前所未有的技術挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)硅（Si）基功率器件已逐漸成為制約系統(tǒng)性能提升的瓶頸。傾佳電子深入分析了當前算力電源廣泛采用的兩級轉換拓撲結構（交錯式 PFC 結合全橋或半橋 LLC 諧振變換器），并詳細闡述了碳化硅（SiC）MOSFET 在該領域的核心技術優(yōu)勢。由于 SiC MOSFET 具有顯著降低的開關損耗、卓越的耐高溫特性以及高速開關能力，它已成為實現(xiàn)下一代大功率 PSU 設計（例如 80 PLUS Titanium 級別，即 96%+ 效率）的戰(zhàn)略核心。為了充分利用 SiC 器件的全部潛力，電源系統(tǒng)的設計必須同步升級，涵蓋高頻柵極驅動（如 10A 峰值電流、60ns 延遲的隔離驅動）以及高頻輔助電源 (例如 1.3MHz DC-DC 供電)，并采納如 Kelvin 源極等先進封裝技術以最大程度地減少寄生效應，從而在整體系統(tǒng)效率、功率密度和可靠性方面實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

II. 大功率算力電源的系統(tǒng)級拓撲架構

A. 算力電源的功率等級劃分與設計挑戰(zhàn)

大功率算力電源通常定義為輸出功率覆蓋 3kW 到 10kW 范圍的高密度電源系統(tǒng)。在這一功率等級下，設計者面對的核心挑戰(zhàn)是在有限的物理空間內，同時實現(xiàn)超高效率（接近 80 PLUS Titanium 級）和高度有效的熱管理。

實現(xiàn)這些高目標的關鍵在于在高電流和高電壓應力下，將功率損耗，尤其是開關損耗，降至絕對最低，以確保在結溫 (TJ?) 的安全范圍內運行，并達成 96% 以上的效率目標 。此外，由于礦機部署環(huán)境的工業(yè)化趨勢，輸入電壓標準已傾向于采用三相 380V 交流線電壓 。這種輸入配置在整流后會產生一個平均值約為 520V 的直流母線電壓 。

這一高直流母線電壓對功率器件的選擇產生了直接且重要的要求。前端 PFC 級的開關器件，在考慮瞬態(tài)電壓和安全裕量的情況下，需要至少具備 650V/750V 的耐壓能力 。更重要的是，后端的 DC/DC 變換級（如 LLC 拓撲）的原邊開關在工作時，需要承受直流母線電壓疊加變壓器反射電壓的應力。因此，為了確保在開關瞬態(tài)和系統(tǒng)啟動/關斷過程中具有足夠的電壓裕量和長期可靠性，DC/DC 級功率器件幾乎必然需要選用 1200V 甚至更高耐壓等級的器件，而非僅僅依靠 650V/750V 器件，這使得 1200V SiC MOSFETs 成為 DC/DC 級設計的必然選擇 。

B. 主流兩級轉換架構

高功率算力電源系統(tǒng)普遍采用兩級拓撲結構：第一級是用于提高功率因數(shù)和將輸入直流電壓升壓至穩(wěn)定高電平的 AC/DC 轉換級；第二級是用于高效率隔離和穩(wěn)壓的 DC/DC 轉換級。

1. 前端 AC/DC：高功率因數(shù)校正級 (PFC Stage)

對于處理大功率并旨在降低輸入電流諧波的目的，前端通常采用交錯式連續(xù)導通模式（CCM）PFC 拓撲 。交錯式結構能夠有效分散熱量，并減小輸入輸出電流紋波。

SiC MOSFET 在此階段的集成帶來了顯著的性能優(yōu)勢。由于 SiC 具有極低的開關損耗和快速的開關速度 ，PFC 級能夠以更高的開關頻率（例如 100kHz 至 200kHz）運行。頻率的提高可以直接減小電感和電容等磁性元件和無源元件的體積和重量，從而顯著提高整個前端的功率密度。例如，750V SiC MOSFET（如 B3M010C075Z）具有低至 10mΩ 的典型導通電阻和高達 240A 的電流容量 ，非常適合在 520V DC 母線電壓下作為 PFC 升壓開關使用，以確保極低的導通損耗。

2. 后端 DC/DC：高效率諧振變換級 (LLC Stage)

在兩級結構中，全橋或半橋 LLC 諧振變換器被廣泛認為是實現(xiàn)高效率高功率電源的核心拓撲 。LLC 拓撲的核心優(yōu)勢在于其能夠在寬負載范圍內實現(xiàn)原邊開關管的 零電壓開關 (ZVS)，以及副邊二極管的零電流開關 (ZCS) 。

SiC MOSFET 在 LLC 拓撲中能夠發(fā)揮出最佳性能。盡管 LLC 拓撲本身在 ZVS 模式下開關損耗較低，但傳統(tǒng) Si MOSFET 的體二極管在橋臂續(xù)流時會產生顯著的反向恢復電荷 (Qrr?) 損耗。SiC MOSFET 的體二極管具有幾乎零反向恢復電荷的特性，從而消除了這一損耗，顯著提升了輕載和寬輸入范圍下的效率 。考慮到 520V 母線電壓，通常選用 1200V 級別的 SiC MOSFET（例如 B3M013C120Z，典型導通電阻RDS(on)?=13.5mΩ）來確保高耐壓裕度和低損耗運行 。

C. 創(chuàng)新架構與高壓串聯(lián)供電模式

為了滿足算力板（ASIC 芯片）日益增長的供電需求并進一步優(yōu)化能效，礦機電源架構正向高度定制化方向發(fā)展，旨在消除傳統(tǒng)多級轉換帶來的二次轉換損耗。

一種新興的架構是高壓串聯(lián)供電模式。在這種模式下，算力板被設計成允許通過電源正端子和負端子實現(xiàn)板與板之間的串聯(lián)連接 。通過精確控制算力板的串聯(lián)數(shù)量，可以使所有算力板的總電壓之和精確匹配 PFC 級的直流母線電壓（例如 520V） 。

這種架構的顯著優(yōu)勢在于它省去了電源中的 DC-DC 變換器，從而大幅提高了整體電源效率，并降低了電源系統(tǒng)的設計復雜度和成本 。此外，隔離電路可以被集中布置在控制板上，進一步簡化了系統(tǒng)。

在這種簡化拓撲中，主電源（即 LLC 變換器）的性能變得更加關鍵，它需要輸出的是穩(wěn)定、高品質的高壓直流電。LLC 級直接決定了總系統(tǒng)效率。為了實現(xiàn)小型化（即高功率密度）和超高效率（Titanium 級），LLC 變換器必須被迫工作在更高的開關頻率。頻率的提高意味著開關損耗急劇增加，因此只有 SiC MOSFET 能夠憑借其極低的導通/關斷能量 (Eon?/Eoff?) 在高頻下維持高效率。LLC 拓撲的改進（例如采用副邊 LLC 諧振拓撲）也可以提供高增益性能，以更好地應對高壓變換的挑戰(zhàn) 。

III. SiC MOSFET 的器件物理優(yōu)勢與開關性能量化

SiC 器件的性能優(yōu)勢直接來源于其寬禁帶材料的物理特性，這些優(yōu)勢在大功率、高頻應用中能夠得到顯著的量化體現(xiàn)。

A. SiC 基礎物理特性與 Si/SiC 器件的性能邊界對比

碳化硅的介電擊穿強度比傳統(tǒng)硅高出約 10 倍，同時禁帶寬度高出約 3 倍 。這些優(yōu)越的材料特性使得 SiC 器件能夠同時實現(xiàn)高耐壓（例如 1200V）和極低的導通電阻 ( RDS(on)?) ，從而直接降低了系統(tǒng)的導通損耗。 另一個關鍵優(yōu)勢是 SiC 具有高熱導率，這極大地促進了熱量的迅速耗散 。這一特性與 SiC 器件本身高達 175°C 的最高工作結溫 (TJ?) 額定值相結合 ，極大地增強了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性，放松了對散熱器的要求，并提高了系統(tǒng)的長期可靠性 。

B. 損耗分析：導通損耗 (Econd?) 與開關損耗 (Esw?)

開關損耗 (Esw?) 的巨大優(yōu)勢： 在功率變換中，SiC MOSFET 相比于傳統(tǒng) Si IGBT，在相同測試條件下，導通開關損耗 (Eon?) 可減少 65% 至 76% 。在總損耗的比較中，用 SiC 替換 Si IGBT 后，總損耗可實現(xiàn)約 41% 的減少 。

在 LLC 拓撲中，SiC MOSFET 的體二極管反向恢復優(yōu)勢至關重要。例如，對于 1200V B3M013C120Z 器件，在 VDC?=800V、 ID?=60A 和 TJ?=175°C 的條件下，如果使用 SiC 肖特基二極管（SiC SBD，例如 B4D40120H）作為續(xù)流二極管，導通能量 (Eon?) 典型值為 880μJ。而即使使用 MOSFET 的體二極管作為續(xù)流，其 Eon? 也僅為 1490μJ ，這種性能仍然遠優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件。極低的開關損耗是電源可以運行在更高頻率（例如 330kHz，甚至某些特殊應用的 500kHz 以上 ）的核心原因，這使得無源元件體積得以縮小，實現(xiàn)了更高的功率密度。

導通電阻 (RDS(on)?) 與溫度特性： SiC MOSFET 的導通電阻 RDS(on)? 隨溫度升高而增大的幅度，通常小于傳統(tǒng)的 Si 器件，展現(xiàn)出更佳的溫度穩(wěn)定性 。例如，1200V B3M013C120Z 的典型導通電阻從 25°C 的 13.5mΩ 上升到 175°C 的 23mΩ ，增幅約為 70%。這種相對平穩(wěn)的性能曲線，使得系統(tǒng)設計者能夠更可靠地利用 SiC 器件的高溫工作能力。

C. 典型 SiC MOSFET 器件選型與參數(shù)分析

針對 PFC 和 LLC 兩級架構，需要根據(jù)電壓應力、電流能力和損耗目標來選擇合適的 SiC MOSFET。值得注意的是，所有面向高功率應用的 SiC 器件，例如 B3M010C075Z 和 B3M013C120Z，均采用了 4-pin（Kelvin Source）封裝 。

這種 Kelvin 源極封裝通過將功率源極和控制源極分離，有效降低了高頻開關回路中的寄生源極電感對柵極驅動信號的影響。在 SiC 高速開關（高 dv/dt 和 di/dt）的情況下，即使微小的雜散電感也會產生顯著的負反饋電壓，降低實際柵源電壓，增加開關損耗。因此，4-pin Kelvin 源極封裝是發(fā)揮 SiC 全部性能、實現(xiàn)高頻高效率設計的關鍵技術細節(jié)。

設計者通常需要在導通電阻 (RDS(on)?) 和電流容量之間進行權衡。對于追求極致功率密度的礦機電源，通常會傾向于使用更多并聯(lián)的低 RDS(on)? 器件，以平衡導通損耗和開關損耗。

Table 1 總結了典型 SiC MOSFET 關鍵性能參數(shù)，以供設計參考。

Table 1: 典型 SiC MOSFET 關鍵性能參數(shù)比較 (基于 BASiC Semiconductor 器件)

注：Etotal? 為 Eon?+Eoff?，基于體二極管作為 FWD 的測試數(shù)據(jù)。

IV. SiC 驅動與輔助電源子系統(tǒng)設計

SiC MOSFET 的高性能特點要求其配套的驅動電路和輔助電源系統(tǒng)必須同步升級，才能有效應對高 dv/dt 和高開關頻率帶來的復雜挑戰(zhàn)。

A. SiC MOSFET 柵極驅動的挑戰(zhàn)與要求

米勒效應與寄生導通的控制： SiC MOSFET 的反向傳輸電容比 (Crss?/Ciss?) 相對較高 。在器件快速關斷和高 dv/dt 開關期間，米勒電流 (IMiller?) 流過柵極回路的電阻和寄生電感，這可能在處于關斷狀態(tài)的同一橋臂上的開關管柵極上產生正向電壓尖峰。如果尖峰電壓超過器件的閾值電壓，就會引發(fā)寄生導通（也稱誤導通）。

為應對這一挑戰(zhàn)，SiC 驅動通常要求 VGS? 采用雙極性供電：使用較高的正向驅動電壓（例如 ≈18V）以確保極低的 RDS(on)? ，同時使用一個負偏置電壓（例如 ?5V）來確保在關斷狀態(tài)下有足夠的裕量抵抗米勒尖峰，實現(xiàn)可靠關斷 。

驅動電流和速度要求： 驅動大型 SiC 器件（如 1200V 級，總柵極電荷 QG? 典型值約為 225nC ）需要在數(shù)十納秒（ns）的極短時間內注入或抽取大量電荷。這要求柵極驅動器必須提供極高的瞬時峰值電流。

B. 隔離型柵極驅動器分析 (BTD5350x 系列)

專用的隔離型柵極驅動器是充分發(fā)揮 SiC 性能、確保主電路與控制電路之間高隔離度和長期可靠性的關鍵。

BTD5350x 系列驅動器具有高達典型 10A 的峰值輸出電流能力 ，這對于快速驅動大 QG? 的 SiC MOSFET 至關重要。同時，該驅動器的傳輸延遲時間低至 60ns ，確保了在高頻運行中脈寬的精確控制和時序的準確性。

該系列驅動器還提供了關鍵的保護功能，例如 米勒鉗位 (Miller Clamp) 技術。BTD5350M 版本提供專用的 CLAMP 管腳，在器件處于關斷狀態(tài)時，該鉗位功能能夠將柵極電壓鉗位至小于 2V 的低電平，從而有效吸收米勒電流，防止寄生導通現(xiàn)象的發(fā)生 。此外，對于高壓礦機應用，該驅動器在 SOW-8 封裝下可提供高達 5000Vrms? 的隔離電壓 ，滿足嚴格的工業(yè)和安規(guī)要求。

該驅動器還提供不同的功能配置，例如 BTD5350S 版本提供獨立的開通 (RG,ON?) 和關斷 (RG,OFF?) 輸出控制腳 。這使得設計者能夠分別優(yōu)化導通速度和關斷速度，通過使用不同的外部柵極電阻來精細控制開關速度和 dv/dt，這是 SiC 應用中實現(xiàn) EMI 兼容和效率優(yōu)化的重要手段。

C. 隔離輔助電源解決方案 (BTP1521x 芯片)

柵極驅動器通常需要一個穩(wěn)定、隔離的高品質輔助電源。在 SiC 主功率級運行于數(shù)百 kHz 的高頻系統(tǒng)中，傳統(tǒng)低頻輔助電源因其體積大、動態(tài)響應慢而不再適用。

高頻化趨勢在輔助電源設計中同樣適用。BTP1521x 正激 DC-DC 開關電源芯片支持最高 1.3MHz 的工作頻率 。這種超高工作頻率使得輔助電源的變壓器和濾波元件的尺寸得以大幅減小，不僅提高了輔助電源自身的功率密度，還使其能夠與主電源的高頻運行環(huán)境保持高度協(xié)同。

BTP1521x 可以在直接驅動模式下提供高達 6W 的輸出功率，或者在推挽拓撲中驅動外部 MOSFET 以提供更大功率 。這種靈活性提供了可靠的解決方案，能夠為 SiC 驅動器提供所需的雙極性供電（例如 +18V/?5V），確保柵極驅動系統(tǒng)在超高頻下穩(wěn)定運行。輔助電源的高頻化確保了從主功率級到控制電源的全鏈路高頻高密度設計得以實現(xiàn)。

V. SiC MOSFET 對電源系統(tǒng)可靠性與熱管理的影響

SiC 技術的應用不僅僅是關于效率和功率密度的提升，它也對電源系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和熱管理策略產生了根本性的影響。

A. SiC 高溫工作能力對散熱設計的放松

SiC MOSFET 的最高結溫 (TJ?) 額定值典型值可達 175°C ，相比于傳統(tǒng) Si 器件 150°C 的限制，顯著提高了系統(tǒng)的環(huán)境耐受性。這一特性使得系統(tǒng)能夠在相同的環(huán)境溫度下運行更高的功率，或在相同的功率水平下使用更小的散熱器，從而提高了 PSU 的環(huán)境適應性和功率密度 。

熱管理效率也得到提升。例如，B3M013C120Z 的結到殼熱阻 (Rth(j?c)?) 典型值僅為 0.20K/W 。這種優(yōu)異的熱阻值，得益于先進的封裝技術（例如應用銀燒結技術改進 Rth(j?c)? ），保證了熱量能以極高效率從芯片傳遞到散熱器。

B. SiC 在電壓/電流浪涌保護方面的優(yōu)勢

SiC 器件在處理高壓、大電流浪涌保護方面表現(xiàn)出卓越的性能，這為電源系統(tǒng)帶來了更高的穩(wěn)定性 。在礦機 PSU 這種需要連續(xù)、高負荷運行的應用中，SiC 固有的高可靠性（例如抗輻射能力強、高熱穩(wěn)定性）是保障系統(tǒng)能夠長期高效“挖礦”的關鍵因素。SiC 的引入有效減少了因電應力或熱應力導致的故障風險。

C. 熱管理系統(tǒng)演進與 SiC 的協(xié)同效應

隨著 ASIC 芯片的晶體管密度和功耗持續(xù)提升，算力電源對散熱的要求也隨之急劇上升 。雖然 SiC 已經(jīng)降低了電源模塊本身的產熱量，但其高耐溫特性也使其能夠更好地適應下一代先進冷卻技術。例如，目前應用于大功率計算領域的 液冷或相變冷卻等技術 ，通過將電源模塊集成到整體的冷卻循環(huán)中，可以實現(xiàn)前所未有的功率密度。SiC 的 175°C 結溫耐受性為這些先進冷卻系統(tǒng)的設計提供了更大的溫度窗口和更高的靈活性。

Table 2: SiC MOSFET 與傳統(tǒng) Si 器件開關性能對比 (概念模型)

VI. 大功率算力電源的未來發(fā)展趨勢

A. 模塊化與集成化封裝技術

隨著算力電源的功率等級不斷攀升，使用分立 SiC 器件進行簡單并聯(lián)將面臨電流共享、寄生電感控制和熱管理日益復雜的挑戰(zhàn)。

未來的趨勢必然是采用 SiC 功率模塊（Power Modules）。這些模塊將多個 SiC MOSFET 和 SiC SBD 集成在一個經(jīng)過優(yōu)化、具有極低雜散電感特性的封裝內部。這種模塊化設計能夠從根本上優(yōu)化電流路徑，簡化系統(tǒng)級并聯(lián)設計，并顯著降低寄生電感，這對于充分發(fā)揮 SiC 的高頻、高 di/dt 優(yōu)勢至關重要。

B. 數(shù)字化控制與智能化診斷

下一代大功率 PSU 將普遍采用高性能微控制器（MCU）或數(shù)字信號處理器（DSP）來實現(xiàn)全數(shù)字化控制，用于對 PFC 和 LLC 級進行精確管理。

SiC 的高速開關特性對控制環(huán)路的速度和精度提出了更高的要求。數(shù)字化控制能夠實現(xiàn)自適應死區(qū)時間控制、精確的電流共享和快速的瞬態(tài)響應，這些功能對于穩(wěn)定運行高速 SiC 拓撲至關重要。同時，數(shù)字化平臺也為集成更復雜的智能化診斷和預測性維護功能奠定了基礎

C. 超高功率密度與 80 PLUS Titanium 效率等級的持續(xù)追求

對 PSU 效率的持續(xù)追求，以達到 80 PLUS Titanium 級及更高的目標，是降低礦場運營成本的核心驅動力 。SiC 技術是實現(xiàn)這一目標不可或缺的驅動力。

為了達到更高的功率密度（瓦特/立方英寸比率），電源設計必須通過 SiC 技術提高開關頻率，從而實現(xiàn)無源元件的體積縮小。此外，SiC 技術的應用與先進的散熱技術（如液冷或相變冷卻）相結合 ，將共同推動超高功率密度 PSU 的實現(xiàn)。

值得強調的是，SiC 實現(xiàn)的高頻、高效交錯式 PFC 拓撲對電網(wǎng)環(huán)境的優(yōu)化也具有重要意義。這種拓撲結構能夠產生更少的諧波電流，并保持較高的系統(tǒng)功率因數(shù) 。這種“清潔”電源的特性不僅滿足了電網(wǎng)標準，也提高了大功率設備在工業(yè)環(huán)境中部署的適用性和可靠性。

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VII. 結論與實施建議

SiC MOSFET 技術是應對大功率礦機算力電源高效率和高功率密度挑戰(zhàn)的戰(zhàn)略核心。其在降低開關損耗、提升熱穩(wěn)定性和實現(xiàn)高頻操作方面的優(yōu)勢，使得傳統(tǒng)硅器件已無法滿足當前及未來的設計需求。

實施建議：

拓撲架構策略： 采納主流的交錯式 CCM PFC + 全橋/半橋 LLC 拓撲，以實現(xiàn)超高效率。同時，鼓勵積極探索算力板高壓串聯(lián)供電模式，以消除 DC-DC 級帶來的二次損耗 。

SiC 器件選型與優(yōu)化：

PFC 級（750V/650V）： 優(yōu)先選擇低 RDS(on)? 的 SiC MOSFET（如 750V/10mΩ B3M010C075Z），以最小化導通損耗 。

LLC 級（1200V）： 必須選用 1200V 級 SiC MOSFET（如 B3M013C120Z），以確保在 520V 母線電壓下的可靠性和裕量。為最大程度降低 Eon?，推薦搭配外部 SiC 肖特基二極管作為續(xù)流二極管 。

驅動系統(tǒng)設計： 驅動系統(tǒng)必須采用高性能隔離驅動器。應選擇具備米勒鉗位功能（如 BTD5350M 版本）和高瞬時驅動電流（典型 10A 峰值）的驅動芯片 。同時，為確保系統(tǒng)高功率密度和瞬態(tài)響應，輔助電源應采用

高頻解決方案（如 BTP1521x 的 1.3MHz DC-DC 方案）。

關鍵布局原則： 在 PCB 布局中，應強制使用 4-pin Kelvin 源極封裝，并嚴格遵循低寄生電感設計原則。這對于防止高 dv/dt 引起的寄生導通和管理電磁干擾 (EMI) 至關重要 。

審核編輯 黃宇