賦能充電樁一級能效：傾佳電子SiC碳化硅MOSFET滿足GB 46519-2025標準的技術(shù)解析報告

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(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連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)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(chǎn)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(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！

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(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢！

摘要

隨著中國首個電動汽車供電設(shè)備強制性能效標準GB 46519-2025的頒布與即將實施，充電樁行業(yè)正面臨一場深刻的技術(shù)變革。該標準規(guī)定的一級能效指標——充電效率不低于96.5%，為功率變換技術(shù)設(shè)立了新的標桿。對于大功率直流快充模塊（如30-60kW），傳統(tǒng)硅基功率器件（IGBTs, Si-MOSFETs）因其在開關(guān)和導(dǎo)通損耗方面的固有局限性，難以經(jīng)濟高效地滿足此要求。傾佳電子旨在論證，以碳化硅（SiC）MOSFET為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體是實現(xiàn)此目標的關(guān)鍵賦能技術(shù)。傾佳電子對基本半導(dǎo)體（BASIC Semiconductor）的碳化硅MOSFET（以B3M040120Z為核心分析對象）進行深入的數(shù)據(jù)驅(qū)動分析，傾佳電子將闡明其通過顯著降低充電樁核心功率級中的關(guān)鍵損耗，為滿足并超越一級能效標準所做出的直接且重大的貢獻。分析結(jié)果表明，得益于優(yōu)異的導(dǎo)通電阻（$R_{DS(on)}$）特性、極低的開關(guān)能量（$E_{on}$/$E_{off}$）以及卓越的熱管理性能，基本半導(dǎo)體的SiC MOSFET能夠有效提升系統(tǒng)級效率，是設(shè)計新一代高效、高功率密度充電樁的理想選擇。

1. GB 46519-2025標準對高效功率變換的技術(shù)要求

1.1. 解構(gòu)≥96.5%效率目標：功率拓撲中的損耗預(yù)算

GB 46519-2025標準所定義的96.5%效率是一個“從電網(wǎng)到車輛”（wall-to-vehicle）的綜合指標，涵蓋了充電樁內(nèi)部多個功率轉(zhuǎn)換級。傾佳電子的分析重點聚焦于充電模塊內(nèi)部的核心功率拓撲，主要包括前端的AC/DC功率因數(shù)校正（PFC）級和后端的隔離式DC/DC級 。常見的拓撲結(jié)構(gòu)包括三相維也納（Vienna）整流器用于PFC，以及LLC諧振或移相全橋（PSFB）變換器用于DC/DC轉(zhuǎn)換 。

在一個典型的損耗預(yù)算模型中，要實現(xiàn)96.5%的整機效率，必須為磁性元件、輔助電源、控制電路及散熱系統(tǒng)等預(yù)留損耗空間。這意味著PFC和DC/DC這兩個主要功率級的綜合效率必須達到極高水平，通常每個單級的效率都需要超過98%。這一嚴苛要求使得功率半導(dǎo)體器件性能的任何微小提升都變得至關(guān)重要，直接影響最終產(chǎn)品能否達標。

1.2. 識別主要功率損耗機制：導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗

功率半導(dǎo)體的總損耗主要由導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗構(gòu)成，理解并優(yōu)化這兩部分是提升效率的核心。

導(dǎo)通損耗 ($P_{cond}$): 該損耗在器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時產(chǎn)生，其計算公式為 $P_{cond} = I_{rms}^2 times R_{DS(on)}$。在高負載電流下，導(dǎo)通損耗是主要的損耗來源。因此，選擇具有低導(dǎo)通電阻（$R_{DS(on)}$）和良好溫度系數(shù)（即$R_{DS(on)}$隨溫度升高增幅較?。┑钠骷?，是降低導(dǎo)通損耗的首要目標。

開關(guān)損耗 ($P_{sw}$): 該損耗發(fā)生在器件開通和關(guān)斷的瞬態(tài)過程中，其近似計算公式為 $P_{sw} approx (E_{on} + E_{off}) times f_{sw}$，其中$E_{on}$為開通能量，E_off為關(guān)斷能量，$f{sw}$為開關(guān)頻率。隨著開關(guān)頻率的提升，開關(guān)損耗占比迅速增加。為了在實現(xiàn)高功率密度的同時不犧牲效率，必須選用具有低開關(guān)能量（$E_{on}$, $E_{off}$）和低柵極電荷（$Q_g$）的器件。

體二極管損耗: 在橋式拓撲中，一個開關(guān)管的體二極管在續(xù)流期間的反向恢復(fù)特性（反向恢復(fù)電荷$Q_{rr}$和反向恢復(fù)時間$t_{rr}$）會顯著增加對管開通時的損耗（$E_{on}$）。因此，理想的功率器件應(yīng)具備快速且“軟”恢復(fù)特性的體二極管。

1.3. 傳統(tǒng)硅基器件（IGBT）的局限性

在高壓大功率應(yīng)用中，硅基絕緣柵雙極晶體管（Si-IGBT）曾是主流選擇。然而，面對日益嚴苛的效率標準，其局限性愈發(fā)凸顯。IGBT在關(guān)斷時存在明顯的“拖尾電流”現(xiàn)象，這是由少數(shù)載流子的存儲效應(yīng)引起的，導(dǎo)致其關(guān)斷損耗（$E_{off}$）居高不下。此外，其較高的導(dǎo)通壓降（$V_{ce(sat)}$）和較低的實用開關(guān)頻率上限（通常低于50 kHz）使得系統(tǒng)難以兼顧高效率和高功率密度。因此，在緊湊型大功率直流充電樁設(shè)計中，僅依靠傳統(tǒng)IGBT技術(shù)達到96.5%以上的效率極具挑戰(zhàn)性。

2. 碳化硅（SiC）技術(shù)對功率效率的根本性貢獻

2.1. 材料優(yōu)勢：寬禁帶特性如何重新定義性能極限

碳化硅作為第三代半導(dǎo)體的代表材料，其物理特性遠超傳統(tǒng)硅。相較于硅，SiC擁有約3倍的禁帶寬度、10倍的臨界擊穿場強和3倍的熱導(dǎo)率 。這些根本性的材料優(yōu)勢為功率器件的性能帶來了革命性的突破。

2.2. 將材料科學(xué)轉(zhuǎn)化為器件性能

SiC的卓越材料特性直接轉(zhuǎn)化為器件層面的性能飛躍，完美解決了傳統(tǒng)硅器件的瓶頸。

更低的導(dǎo)通電阻 ($R_{DS(on)}$): 極高的臨界擊穿場強允許在相同耐壓等級下，器件的漂移層可以設(shè)計得更薄且摻雜濃度更高，從而大幅降低了單位面積導(dǎo)通電阻（$R_{on,sp}$）。

更快的開關(guān)速度: SiC作為單極性器件，不存在少數(shù)載流子存儲效應(yīng)，這使其開關(guān)過程異常迅速，幾乎沒有拖尾電流。其體二極管的反向恢復(fù)電荷（$Q_{rr}$）也趨近于零，極大地降低了開關(guān)損耗，為系統(tǒng)在更高頻率下高效運行奠定了基礎(chǔ)。

卓越的熱管理: SiC優(yōu)異的熱導(dǎo)率使得芯片產(chǎn)生的熱量能夠更高效地傳導(dǎo)至散熱器，這意味著在相同功率下，器件的結(jié)溫更低；或者在相同結(jié)溫下，器件可以處理更大的功率。這不僅提升了系統(tǒng)的可靠性，也為提高功率密度創(chuàng)造了條件。

3. 深度解析：基本半導(dǎo)體碳化硅MOSFET性能剖析

本章節(jié)將聚焦于基本半導(dǎo)體的第三代平面柵SiC MOSFET產(chǎn)品，以B3M040120Z（1200V, 40mΩ）為核心分析對象，并將其與前代產(chǎn)品B2M040120Z及行業(yè)主流競品Wolfspeed C3M0040120K和Infineon IMZA120R040M1H進行橫向?qū)Ρ?，以量化其性能?yōu)勢。

3.1. 最小化導(dǎo)通損耗：靜態(tài)特性分析

導(dǎo)通損耗是決定充電樁在滿載條件下效率的關(guān)鍵因素。B3M040120Z的數(shù)據(jù)手冊顯示，在25°C、柵源電壓（$V_{GS}$）為18V、漏極電流（$I_D$）為40A的條件下，其典型導(dǎo)通電阻$R_{DS(on)}$為40 mΩ 。這一低數(shù)值為降低大電流下的導(dǎo)通損耗奠定了堅實基礎(chǔ)。

更為關(guān)鍵的是器件在實際工作溫度下的表現(xiàn)。充電樁在持續(xù)大功率輸出時，功率器件的結(jié)溫會顯著升高。在175°C時，B3M040120Z的典型$R_{DS(on)}$上升至**75 mΩ**，相較于25°C時增加了**87.5%** 。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，不同工藝路線對高溫性能有顯著影響。例如，同為平面柵工藝的Wolfspeed C3M0040120K，其$R_{DS(on)}$從40 mΩ上升至68 mΩ（+70%），而采用溝槽柵工藝的Infineon IMZA120R040M1H則從39 mΩ劇增至77 mΩ（+97.4%）。這表明，基本半導(dǎo)體的平面柵工藝在高溫下展現(xiàn)出良好的$R_{DS(on)}$穩(wěn)定性，這意味著在實際高負荷運行中，其導(dǎo)通損耗的惡化程度相對較小，有助于維持整機的高效率和熱穩(wěn)定性。

表1：關(guān)鍵靜態(tài)參數(shù)對比

3.2. 大幅削減開關(guān)損耗：動態(tài)性能評估

開關(guān)損耗是決定充電樁在高頻工作時效率的關(guān)鍵。雙脈沖測試是評估器件動態(tài)性能的黃金標準。測試數(shù)據(jù)顯示，在125°C、40A的工況下，B3M040120Z的開通損耗$E_{on}$為**767 μJ**，關(guān)斷損耗$E_{off}$為**151 μJ**，總開關(guān)損耗$E_{total}$為918 μJ 。

在與競品的橫向?qū)Ρ戎?，B3M040120Z展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。其918 μJ的總開關(guān)損耗，比Wolfspeed C3M0040120K的996 μJ低了8%，比Infineon IMZA120R040M1H的1000 μJ低了8.2% 。這一優(yōu)勢使得采用B3M040120Z的系統(tǒng)在相同頻率下發(fā)熱更少，效率更高。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，B3M040120Z的優(yōu)勢主要來源于其出色的關(guān)斷性能。在125°C下，其$E_{off}$（151 μJ）相比Wolfspeed C3M0040120K的231 μJ，降低了34.6%。這一點在現(xiàn)代充電樁常用的LLC等軟開關(guān)拓撲中尤為重要。這類拓撲通過實現(xiàn)零電壓開通（ZVS），可以基本消除開通損耗$E_{on}$，使得關(guān)斷損耗$E_{off}$成為主要的開關(guān)損耗來源。一份客戶在單級變換軟開關(guān)拓撲中的測試報告也證實，基本半導(dǎo)體的MOSFET因其優(yōu)異的$E_{off}$表現(xiàn)而勝出 。因此，B3M040120Z極低的$E_{off}$并非簡單的參數(shù)優(yōu)化，而是針對高效軟開關(guān)拓撲的決定性設(shè)計優(yōu)勢。

品質(zhì)因子（FOM, Figure of Merit），定義為$R_{DS(on)} times Q_g$，是衡量器件綜合性能的指標。B3M040120Z的總柵極電荷$Q_g$為85 nC ，計算得出其FOM為3400 mΩ·nC。相比之下，C3M0040120K的$Q_g$為99 nC，F(xiàn)OM為3960 mΩ·nC 2。更低的FOM值意味著在導(dǎo)通與開關(guān)性能之間取得了更優(yōu)的平衡。

表2：動態(tài)開關(guān)參數(shù)對比（體二極管續(xù)流, $V_{DC}=800V, I_D=40A$）

3.3. 提升系統(tǒng)可靠性與功率密度：熱性能與體二極管

熱性能: B3M040120Z的典型結(jié)-殼熱阻$R_{th(j-c)}$為0.48 K/W 。這一數(shù)值與Wolfspeed（0.46 K/W）和Infineon（0.51 K/W）處于同一水平，表明其具備高效的散熱能力，能夠快速將芯片內(nèi)部的熱量導(dǎo)出，這對于保證器件在高溫下的長期可靠運行和提升整機功率密度至關(guān)重要 2。

體二極管性能: 在硬開關(guān)橋式拓撲（如PFC級）中，體二極管的反向恢復(fù)特性至關(guān)重要。雙脈沖測試顯示，B3M040120Z在125°C下的反向恢復(fù)電荷$Q_{rr}$為**0.54 μC**，與競品相當 [1]。低$Q_{rr}$可以顯著降低對管開通時的電流尖峰和損耗，從而提升PFC級的整體效率。

4. 量化影響：基本半導(dǎo)體SiC MOSFET在充電樁架構(gòu)中的應(yīng)用

4.1. 應(yīng)用案例：在40kW充電樁電源模塊中的性能表現(xiàn)

理論分析的優(yōu)勢最終需要通過實際應(yīng)用來驗證。一份針對40kW充電樁電源模塊的實測報告為我們提供了寶貴數(shù)據(jù)。該測試將基本半導(dǎo)體上一代的B2M040120Z與C3M0040120K在同一模塊中進行了直接替換對比 。

測試結(jié)果顯示，即使是第二代產(chǎn)品B2M040120Z，在多個典型工作點下也表現(xiàn)出色，例如在750V/26.7A輸出時效率達到96.70%，在500V/40A輸出時效率達到96.28% 。這些數(shù)據(jù)清晰地表明，采用基本半導(dǎo)體的SiC MOSFET，已經(jīng)具備了滿足GB 46519-2025一級能效標準的能力。

基于此，可以進行一個合理的性能推斷：既然性能稍遜的第二代產(chǎn)品（B2M040120Z）在實際系統(tǒng)中已能與競品第三代產(chǎn)品（C3M0040120K）并駕齊驅(qū)，并達到一級能效標準；那么，已通過雙脈沖測試證明開關(guān)損耗更低（125°C下$E_{total}$降低15%）的第三代產(chǎn)品B3M040120Z，無疑將為系統(tǒng)帶來更大的效率裕量 。設(shè)計工程師可以利用這一裕量，進一步將系統(tǒng)效率推向更高水平（如97%），或者在維持96.5%效率標準的前提下，提升開關(guān)頻率以縮小磁性元件尺寸，從而實現(xiàn)更高功率密度的設(shè)計。

表3：40kW充電模塊效率實測數(shù)據(jù)摘要（驅(qū)動電壓-3V/+15V）

4.2. 通過高頻工作實現(xiàn)更高功率密度

B3M040120Z極低的開關(guān)損耗使其能夠在遠高于IGBT的開關(guān)頻率（例如 >100 kHz）下高效工作。頻率的提升可以直接減小系統(tǒng)中電感、變壓器等磁性元件的體積、重量和成本。這最終轉(zhuǎn)化為更高的整機功率密度和更低的物料清單（BOM）成本，是SiC技術(shù)帶來的核心商業(yè)價值之一。

4.3. 應(yīng)對待機功耗要求（≤30W）

GB 46519-2025標準同樣對≤30W的待機功耗提出了強制要求。這主要由輔助電源效率和主功率器件的漏電流決定。B3M040120Z具有極低的零柵壓漏電流（$I_{DSS}$），在25°C、1200V下典型值僅為1 μA，即使在175°C高溫下也僅為10 μA 1。這種極低的漏電水平最大限度地減少了主功率級在待機狀態(tài)下的靜態(tài)功耗。

此外，針對為控制電路供電的輔助電源，基本半導(dǎo)體也提供了專用高壓SiC MOSFET，如B2M600170R（1700V） 。使用這類器件設(shè)計反激式（Flyback）或正激式（Forward）輔助電源，可以實現(xiàn)極高的轉(zhuǎn)換效率，從而為滿足整機≤30W的待機功耗目標做出貢獻。

5. 結(jié)論與設(shè)計建議

5.1. 核心發(fā)現(xiàn)總結(jié)

綜合靜態(tài)參數(shù)分析、動態(tài)性能測試以及實際應(yīng)用驗證，傾佳電子得出結(jié)論：基本半導(dǎo)體以B3M040120Z為代表的第三代SiC MOSFET產(chǎn)品，通過以下綜合優(yōu)勢，為充電樁制造商滿足GB 46519-2025一級能效標準提供了強有力的技術(shù)支撐：

低導(dǎo)通損耗： 具備行業(yè)領(lǐng)先的低$R_{DS(on)}$及良好的高溫穩(wěn)定性。

卓越的開關(guān)性能： 擁有更低的總開關(guān)損耗（$E_{total}$），特別是其顯著的低關(guān)斷損耗（$E_{off}$）優(yōu)勢，完美契合現(xiàn)代高效諧振拓撲的需求。

經(jīng)過驗證的系統(tǒng)級效率： 實測數(shù)據(jù)表明，即使是前代產(chǎn)品也已在40kW充電模塊中實現(xiàn)了超過96.5%的效率，新一代產(chǎn)品將提供更充足的設(shè)計余量。

系統(tǒng)級增益： 賦能充電樁實現(xiàn)更高的功率密度和更低的待機功耗，兼顧了性能、成本與合規(guī)性。

5.2. 面向充電樁優(yōu)化的器件選型建議

深圳市傾佳電子有限公司（簡稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動者：
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)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：
新能源：覆蓋光伏、儲能、充電基礎(chǔ)設(shè)施；
交通電動化：服務(wù)新能源汽車三電系統(tǒng)（電控、電池、電機）及高壓平臺升級；
數(shù)字化轉(zhuǎn)型：支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應(yīng)用。
公司以“推動國產(chǎn)SiC替代進口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命，響應(yīng)國家“雙碳”政策（碳達峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。
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基于上述分析，為充電樁設(shè)計工程師提供以下器件選型策略：

PFC級（通常為硬開關(guān)）： 推薦選用兼具低$R_{DS(on)}$和低$Q_{rr}$體二極管的器件。B3M040120Z在這些方面表現(xiàn)均衡，是理想選擇 。

DC/DC級（軟開關(guān)LLC）： 強烈推薦B3M040120Z，其極低的$E_{off}$能在此類拓撲中最大化效率優(yōu)勢 。

更高功率模塊（>40kW）： 為控制更高電流下的導(dǎo)通損耗，建議選用基本半導(dǎo)體產(chǎn)品組合中$R_{DS(on)}$更低的型號，如B3M020120ZL (20mΩ)或B3M013C120Z (13.5mΩ) 。

輔助電源： 推薦使用高耐壓的B2M600170R (1700V)，以構(gòu)建高效、可靠的輔助電源方案 。

審核編輯 黃宇