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

2. 后端 DC/DC：高效率諧振變換級(jí) (LLC Stage)

在兩級(jí)結(jié)構(gòu)中，全橋或半橋 LLC 諧振變換器被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高效率高功率電源的核心拓?fù)?。LLC 拓?fù)涞暮诵膬?yōu)勢(shì)在于其能夠在寬負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)原邊開(kāi)關(guān)管的 零電壓開(kāi)關(guān) (ZVS)，以及副邊二極管的零電流開(kāi)關(guān) (ZCS) 。

SiC MOSFET 在 LLC 拓?fù)渲心軌虬l(fā)揮出最佳性能。盡管 LLC 拓?fù)浔旧碓?ZVS 模式下開(kāi)關(guān)損耗較低，但傳統(tǒng) Si MOSFET 的體二極管在橋臂續(xù)流時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的反向恢復(fù)電荷 (Qrr?) 損耗。SiC MOSFET 的體二極管具有幾乎零反向恢復(fù)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 ?？紤]到 520V 母線電壓，通常選用 1200V 級(jí)別的 SiC MOSFET（例如 B3M013C120Z，典型導(dǎo)通電阻RDS(on)?=13.5mΩ）來(lái)確保高耐壓裕度和低損耗運(yùn)行 。

C. 創(chuàng)新架構(gòu)與高壓串聯(lián)供電模式

為了滿足算力板（ASIC 芯片）日益增長(zhǎng)的供電需求并進(jìn)一步優(yōu)化能效，礦機(jī)電源架構(gòu)正向高度定制化方向發(fā)展，旨在消除傳統(tǒng)多級(jí)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的二次轉(zhuǎn)換損耗。

一種新興的架構(gòu)是高壓串聯(lián)供電模式。在這種模式下，算力板被設(shè)計(jì)成允許通過(guò)電源正端子和負(fù)端子實(shí)現(xiàn)板與板之間的串聯(lián)連接 。通過(guò)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(jí)的直流母線電壓（例如 520V） 。

這種架構(gòu)的顯著優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本 。此外，隔離電路可以被集中布置在控制板上，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。

在這種簡(jiǎn)化拓?fù)渲?，主電源（?LLC 變換器）的性能變得更加關(guān)鍵，它需要輸出的是穩(wěn)定、高品質(zhì)的高壓直流電。LLC 級(jí)直接決定了總系統(tǒng)效率。為了實(shí)現(xiàn)小型化（即高功率密度）和超高效率（Titanium 級(jí)），LLC 變換器必須被迫工作在更高的開(kāi)關(guān)頻率。頻率的提高意味著開(kāi)關(guān)損耗急劇增加，因此只有 SiC MOSFET 能夠憑借其極低的導(dǎo)通/關(guān)斷能量 (Eon?/Eoff?) 在高頻下維持高效率。LLC 拓?fù)涞母倪M(jìn)（例如采用副邊 LLC 諧振拓?fù)洌┮部梢蕴峁└咴鲆嫘阅埽愿玫貞?yīng)對(duì)高壓變換的挑戰(zhàn) 。

III. SiC MOSFET 的器件物理優(yōu)勢(shì)與開(kāi)關(guān)性能量化

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

A. SiC 基礎(chǔ)物理特性與 Si/SiC 器件的性能邊界對(duì)比

碳化硅的介電擊穿強(qiáng)度比傳統(tǒng)硅高出約 10 倍，同時(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)高耐壓（例如 1200V）和極低的導(dǎo)通電阻 ( RDS(on)?) ，從而直接降低了系統(tǒng)的導(dǎo)通損耗。 另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是 SiC 具有高熱導(dǎo)率，這極大地促進(jìn)了熱量的迅速耗散 。這一特性與 SiC 器件本身高達(dá) 175°C 的最高工作結(jié)溫 (TJ?) 額定值相結(jié)合 ，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性，放松了對(duì)散熱器的要求，并提高了系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性 。

B. 損耗分析：導(dǎo)通損耗 (Econd?) 與開(kāi)關(guān)損耗 (Esw?)

開(kāi)關(guān)損耗 (Esw?) 的巨大優(yōu)勢(shì)： 在功率變換中，SiC MOSFET 相比于傳統(tǒng) Si IGBT，在相同測(cè)試條件下，導(dǎo)通開(kāi)關(guān)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(shí)現(xiàn)約 41% 的減少 。

在 LLC 拓?fù)渲?，SiC MOSFET 的體二極管反向恢復(fù)優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。例如，對(duì)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(dǎo)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(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)硅器件。極低的開(kāi)關(guān)損耗是電源可以運(yùn)行在更高頻率（例如 330kHz，甚至某些特殊應(yīng)用的 500kHz 以上 ）的核心原因，這使得無(wú)源元件體積得以縮小，實(shí)現(xiàn)了更高的功率密度。

導(dǎo)通電阻 (RDS(on)?) 與溫度特性： SiC MOSFET 的導(dǎo)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(dǎo)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(duì)平穩(wěn)的性能曲線，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì) PFC 和 LLC 兩級(jí)架構(gòu)，需要根據(jù)電壓應(yīng)力、電流能力和損耗目標(biāo)來(lái)選擇合適的 SiC MOSFET。值得注意的是，所有面向高功率應(yīng)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(guò)將功率源極和控制源極分離，有效降低了高頻開(kāi)關(guān)回路中的寄生源極電感對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的影響。在 SiC 高速開(kāi)關(guān)（高 dv/dt 和 di/dt）的情況下，即使微小的雜散電感也會(huì)產(chǎn)生顯著的負(fù)反饋電壓，降低實(shí)際柵源電壓，增加開(kāi)關(guān)損耗。因此，4-pin Kelvin 源極封裝是發(fā)揮 SiC 全部性能、實(shí)現(xiàn)高頻高效率設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)。

設(shè)計(jì)者通常需要在導(dǎo)通電阻 (RDS(on)?) 和電流容量之間進(jìn)行權(quán)衡。對(duì)于追求極致功率密度的礦機(jī)電源，通常會(huì)傾向于使用更多并聯(lián)的低 RDS(on)? 器件，以平衡導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。

Table 1 總結(jié)了典型 SiC MOSFET 關(guān)鍵性能參數(shù)，以供設(shè)計(jì)參考。

Table 1: 典型 SiC MOSFET 關(guān)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(cè)試數(shù)據(jù)。

IV. SiC 驅(qū)動(dòng)與輔助電源子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

SiC MOSFET 的高性能特點(diǎn)要求其配套的驅(qū)動(dòng)電路和輔助電源系統(tǒng)必須同步升級(jí)，才能有效應(yīng)對(duì)高 dv/dt 和高開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的復(fù)雜挑戰(zhàn)。

A. SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)的挑戰(zhàn)與要求

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

為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，SiC 驅(qū)動(dòng)通常要求 VGS? 采用雙極性供電：使用較高的正向驅(qū)動(dòng)電壓（例如 ≈18V）以確保極低的 RDS(on)? ，同時(shí)使用一個(gè)負(fù)偏置電壓（例如 ?5V）來(lái)確保在關(guān)斷狀態(tài)下有足夠的裕量抵抗米勒尖峰，實(shí)現(xiàn)可靠關(guān)斷 。

驅(qū)動(dòng)電流和速度要求： 驅(qū)動(dòng)大型 SiC 器件（如 1200V 級(jí)，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(shí)間內(nèi)注入或抽取大量電荷。這要求柵極驅(qū)動(dòng)器必須提供極高的瞬時(shí)峰值電流。

B. 隔離型柵極驅(qū)動(dòng)器分析 (BTD5350x 系列)

專用的隔離型柵極驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵。

BTD5350x 系列驅(qū)動(dòng)器具有高達(dá)典型 10A 的峰值輸出電流能力 ，這對(duì)于快速驅(qū)動(dòng)大 QG? 的 SiC MOSFET 至關(guān)重要。同時(shí)，該驅(qū)動(dòng)器的傳輸延遲時(shí)間低至 60ns ，確保了在高頻運(yùn)行中脈寬的精確控制和時(shí)序的準(zhǔn)確性。

該系列驅(qū)動(dòng)器還提供了關(guān)鍵的保護(hù)功能，例如 米勒鉗位 (Miller Clamp) 技術(shù)。BTD5350M 版本提供專用的 CLAMP 管腳，在器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，該鉗位功能能夠?qū)艠O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(dǎo)通現(xiàn)象的發(fā)生 。此外，對(duì)于高壓礦機(jī)應(yīng)用，該驅(qū)動(dòng)器在 SOW-8 封裝下可提供高達(dá) 5000Vrms? 的隔離電壓 ，滿足嚴(yán)格的工業(yè)和安規(guī)要求。

該驅(qū)動(dòng)器還提供不同的功能配置，例如 BTD5350S 版本提供獨(dú)立的開(kāi)通 (RG,ON?) 和關(guān)斷 (RG,OFF?) 輸出控制腳 。這使得設(shè)計(jì)者能夠分別優(yōu)化導(dǎo)通速度和關(guān)斷速度，通過(guò)使用不同的外部柵極電阻來(lái)精細(xì)控制開(kāi)關(guān)速度和 dv/dt，這是 SiC 應(yīng)用中實(shí)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(qū)動(dòng)器通常需要一個(gè)穩(wěn)定、隔離的高品質(zhì)輔助電源。在 SiC 主功率級(jí)運(yùn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)慢而不再適用。

高頻化趨勢(shì)在輔助電源設(shè)計(jì)中同樣適用。BTP1521x 正激 DC-DC 開(kāi)關(guān)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(yùn)行環(huán)境保持高度協(xié)同。

BTP1521x 可以在直接驅(qū)動(dòng)模式下提供高達(dá) 6W 的輸出功率，或者在推挽拓?fù)渲序?qū)動(dòng)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?yàn)?SiC 驅(qū)動(dòng)器提供所需的雙極性供電（例如 +18V/?5V），確保柵極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在超高頻下穩(wěn)定運(yùn)行。輔助電源的高頻化確保了從主功率級(jí)到控制電源的全鏈路高頻高密度設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。

V. SiC MOSFET 對(duì)電源系統(tǒng)可靠性與熱管理的影響

SiC 技術(shù)的應(yīng)用不僅僅是關(guān)于效率和功率密度的提升，它也對(duì)電源系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和熱管理策略產(chǎn)生了根本性的影響。

A. SiC 高溫工作能力對(duì)散熱設(shè)計(jì)的放松

SiC MOSFET 的最高結(jié)溫 (TJ?) 額定值典型值可達(dá) 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(yùn)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(yīng)性和功率密度 。

熱管理效率也得到提升。例如，B3M013C120Z 的結(jié)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(jìn)的封裝技術(shù)（例如應(yīng)用銀燒結(jié)技術(shù)改進(jìn) 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(hù)方面的優(yōu)勢(shì)

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

C. 熱管理系統(tǒng)演進(jìn)與 SiC 的協(xié)同效應(yīng)

隨著 ASIC 芯片的晶體管密度和功耗持續(xù)提升，算力電源對(duì)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(chǎn)熱量，但其高耐溫特性也使其能夠更好地適應(yīng)下一代先進(jìn)冷卻技術(shù)。例如，目前應(yīng)用于大功率計(jì)算領(lǐng)域的 液冷或相變冷卻等技術(shù) ，通過(guò)將電源模塊集成到整體的冷卻循環(huán)中，可以實(shí)現(xiàn)前所未有的功率密度。SiC 的 175°C 結(jié)溫耐受性為這些先進(jìn)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)性能對(duì)比 (概念模型)

VI. 大功率算力電源的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

A. 模塊化與集成化封裝技術(shù)

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

未來(lái)的趨勢(shì)必然是采用 SiC 功率模塊（Power Modules）。這些模塊將多個(gè) SiC MOSFET 和 SiC SBD 集成在一個(gè)經(jīng)過(guò)優(yōu)化、具有極低雜散電感特性的封裝內(nèi)部。這種模塊化設(shè)計(jì)能夠從根本上優(yōu)化電流路徑，簡(jiǎn)化系統(tǒng)級(jí)并聯(lián)設(shè)計(jì)，并顯著降低寄生電感，這對(duì)于充分發(fā)揮 SiC 的高頻、高 di/dt 優(yōu)勢(shì)至關(guān)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(hào)處理器（DSP）來(lái)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制，用于對(duì) PFC 和 LLC 級(jí)進(jìn)行精確管理。

SiC 的高速開(kāi)關(guān)特性對(duì)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?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制、精確的電流共享和快速的瞬態(tài)響應(yīng)，這些功能對(duì)于穩(wěn)定運(yùn)行高速 SiC 拓?fù)渲陵P(guān)重要。同時(shí)，數(shù)字化平臺(tái)也為集成更復(fù)雜的智能化診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)功能奠定了基礎(chǔ)

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

對(duì) PSU 效率的持續(xù)追求，以達(dá)到 80 PLUS Titanium 級(jí)及更高的目標(biāo)，是降低礦場(chǎng)運(yùn)營(yíng)成本的核心驅(qū)動(dòng)力 。SiC 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)不可或缺的驅(qū)動(dòng)力。

為了達(dá)到更高的功率密度（瓦特/立方英寸比率），電源設(shè)計(jì)必須通過(guò) SiC 技術(shù)提高開(kāi)關(guān)頻率，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)源元件的體積縮小。此外，SiC 技術(shù)的應(yīng)用與先進(jìn)的散熱技術(shù)（如液冷或相變冷卻）相結(jié)合 ，將共同推動(dòng)超高功率密度 PSU 的實(shí)現(xiàn)。

值得強(qiáng)調(diào)的是，SiC 實(shí)現(xiàn)的高頻、高效交錯(cuò)式 PFC 拓?fù)鋵?duì)電網(wǎng)環(huán)境的優(yōu)化也具有重要意義。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)，也提高了大功率設(shè)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(jié)論與實(shí)施建議

SiC MOSFET 技術(shù)是應(yīng)對(duì)大功率礦機(jī)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(kāi)關(guān)損耗、提升熱穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)高頻操作方面的優(yōu)勢(shì)，使得傳統(tǒng)硅器件已無(wú)法滿足當(dāng)前及未來(lái)的設(shè)計(jì)需求。

實(shí)施建議：

拓?fù)浼軜?gòu)策略： 采納主流的交錯(cuò)式 CCM PFC + 全橋/半橋 LLC 拓?fù)?/strong>，以實(shí)現(xiàn)超高效率。同時(shí)，鼓勵(lì)積極探索算力板高壓串聯(lián)供電模式，以消除 DC-DC 級(jí)帶來(lái)的二次損耗 。