基于SiC碳化硅功率器件的一級能效超大功率充電樁電源模塊深度報告

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，力推BASiC基本半導(dǎo)體SiC碳化硅MOSFET單管，SiC碳化硅MOSFET功率模塊，SiC模塊驅(qū)動板等功率半導(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(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！

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！

1. 執(zhí)行摘要與系統(tǒng)設(shè)計綜述

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式增長，市場對充電基礎(chǔ)設(shè)施的功率密度與轉(zhuǎn)換效率提出了極為嚴(yán)苛的要求。GB20234等標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)內(nèi)對“一級能效”的追求，使得充電模塊的峰值效率普遍要求達(dá)到96%甚至97%以上。傾佳電子針對基于基本半導(dǎo)體（BASIC Semiconductor）碳化硅（SiC）分立器件構(gòu)建的超大功率充電樁電源模塊方案進(jìn)行詳盡的技術(shù)論證與性能分析。

該方案的拓?fù)浼軜?gòu)明確為前級三相維也納（Vienna）PFC整流與后級三相交錯LLC諧振變換器。關(guān)鍵半導(dǎo)體器件選型如下：

前級 AC-DC（Vienna整流）： 選用 B3D80120H2（1200V/80A SiC SBD）作為整流二極管，配合 B3M010C075Z（750V/10mΩ SiC MOSFET）作為主功率開關(guān)管。

后級 DC-DC（LLC變換器）： 原邊開關(guān)管采用 B3M013C120Z（1200V/13.5mΩ SiC MOSFET），副邊整流采用 B3D80120H2（1200V/80A SiC SBD）。

傾佳電子將從器件物理特性、靜態(tài)與動態(tài)參數(shù)分析、拓?fù)溥m應(yīng)性、熱管理設(shè)計及可靠性物理等多個維度，全方位剖析該方案如何實現(xiàn)超低損耗與高可靠性，從而滿足一級能效與惡劣工況下的長期運行需求。

2. 充電模塊架構(gòu)與器件選型匹配度分析

超大功率充電模塊（通常單模塊功率在60kW至100kW以上）的核心挑戰(zhàn)在于處理極高的電流密度同時維持極低的熱損耗。選用的SiC器件方案展現(xiàn)了對系統(tǒng)電壓應(yīng)力與損耗分布的深刻理解。

2.1 前級三相Vienna整流器的器件應(yīng)力分析

Vienna整流器因其三電平特性，開關(guān)管承受的電壓僅為直流母線電壓的一半。在800V DC母線系統(tǒng)中，開關(guān)管承受電壓約為400V。

MOSFET選型邏輯： 選用 B3M010C075Z 是極具針對性的設(shè)計。該器件額定電壓為750V ，相比傳統(tǒng)的650V器件，提供了額外的100V安全裕量，能夠更從容地應(yīng)對電網(wǎng)側(cè)的浪涌與母線電壓波動。同時，其超低的導(dǎo)通電阻（10mΩ）顯著降低了在大電流輸入下的導(dǎo)通損耗，這是實現(xiàn)滿載高效率的關(guān)鍵。

二極管選型邏輯： Vienna拓?fù)渲校斎雮?cè)二極管在特定扇區(qū)需承受全母線電壓。因此，選用 B3D80120H2（1200V）提供了必要的耐壓等級 1，防止在PFC升壓過程中發(fā)生雪崩擊穿。

2.2 后級LLC諧振變換器的器件應(yīng)力分析

LLC級負(fù)責(zé)電氣隔離與寬范圍電壓調(diào)節(jié)。原邊開關(guān)管需承受全母線電壓，副邊整流管則需應(yīng)對輸出電池電壓（最高可達(dá)1000V）。

原邊MOSFET： B3M013C120Z（1200V）不僅滿足耐壓要求，其13.5mΩ的極低導(dǎo)通電阻 有效抑制了諧振槽路中大循環(huán)電流帶來的I2R損耗。

副邊整流： 在高壓輸出（800V-1000V）場景下，傳統(tǒng)的同步整流（SR）控制復(fù)雜且存在死區(qū)直通風(fēng)險。采用 B3D80120H2 SiC肖特基二極管，利用其零反向恢復(fù)特性，即便在非諧振頻率點（如電池電壓劇烈變化時）也能杜絕反向恢復(fù)帶來的巨大損耗與電壓尖峰。

3. 前級AC-DC核心器件深度技術(shù)評測

前級PFC的性能直接決定了電網(wǎng)側(cè)的THD（總諧波失真）與功率因數(shù)，同時其損耗占比通常是整個模塊中最大的部分。

3.1 維也納整流橫管：B3M010C075Z (750V SiC MOSFET)

該器件屬于基本半導(dǎo)體第三代SiC MOSFET技術(shù)平臺，專為高性能電源轉(zhuǎn)換設(shè)計。

3.1.1 靜態(tài)特性與導(dǎo)通損耗機(jī)制

根據(jù)器件規(guī)格書 1，B3M010C075Z 在 VGS?=18V 時的典型導(dǎo)通電阻（RDS(on)?）僅為 10mΩ。

高溫穩(wěn)定性： 極為關(guān)鍵的是，在結(jié)溫升高至 175°C 時，其 RDS(on)? 僅上升至約 12.5mΩ。這種極低的正溫度系數(shù)（相比硅器件通常翻倍的特性）意味著在滿載高溫工況下，導(dǎo)通損耗僅增加約25%。這對于“超大功率”模塊的熱穩(wěn)定性至關(guān)重要，防止了熱失控的正反饋循環(huán)。

電流能力： 在 TC?=25°C 時，連續(xù)漏極電流 ID? 高達(dá) 240A；即使在 100°C 殼溫下，仍能流過 169A。這為30kW-60kW模塊的設(shè)計提供了充足的電流裕量，允許單管處理極大功率，減少了并聯(lián)需求，提升了功率密度。

3.1.2 動態(tài)特性與開關(guān)損耗優(yōu)化

Vienna拓?fù)渫ǔ９ぷ髟?0kHz-100kHz的高頻硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗是主要熱源。

柵極電荷（Qg?）： 總柵極電荷僅為 220nC 。對于一顆240A級別的器件，這一數(shù)值極低，意味著驅(qū)動電路的功耗更小，且開關(guān)速度更快。

開關(guān)能量（Esw?）： 在 500V/80A 的測試條件下，開通能量 Eon? 為 910μJ，關(guān)斷能量 Eoff? 為 625μJ。單次開關(guān)總損耗僅約 1.53mJ。

應(yīng)用推演： 假設(shè)工作頻率為50kHz，單管的開關(guān)損耗功率 Psw?≈1.53mJ×50kHz≈76.5W。配合其超低的導(dǎo)通電阻，該器件能夠在不依賴極其龐大的散熱器的前提下，支撐起前級的高頻高效運行，從而減小PFC電感的體積。

3.1.3 閾值電壓與抗干擾能力

VGS(th)? 典型值為 2.7V（TJ?=25°C）。較高的閾值電壓顯著增強了系統(tǒng)在復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境下的魯棒性，防止了由于米勒效應(yīng)或地彈噪聲引起的誤導(dǎo)通（Shoot-through），這對于大功率高di/dt應(yīng)用場景是重要的安全保障。

3.2 維也納整流二極管：B3D80120H2 (1200V SiC SBD)

作為PFC回路中的續(xù)流元件，B3D80120H2 的性能直接影響MOSFET的開通損耗。

3.2.1 零反向恢復(fù)特性與系統(tǒng)級效益

SiC SBD是單極性器件，理論上不存在反向恢復(fù)電荷（Qrr?≈0）。規(guī)格書顯示其總電容電荷 Qc? 僅為 456nC 。

對MOSFET的保護(hù)： 在MOSFET開通瞬間，如果二極管存在反向恢復(fù)電流（如Si FRD），該電流會疊加在MOSFET的開通電流上，導(dǎo)致巨大的電流尖峰和Eon?損耗。采用B3D80120H2徹底消除了這一機(jī)制，使得B3M010C075Z能夠以極低的損耗實現(xiàn)硬開關(guān)開通，顯著降低了EMI噪聲源。

3.2.2 正向壓降與并聯(lián)優(yōu)勢

B3D80120H2 在80A額定電流下的正向壓降 VF? 為 1.46V（25°C），高溫下升至 2.06V 。

正溫度系數(shù)： VF? 隨溫度升高而增加的特性使得該器件非常適合并聯(lián)使用。在大功率模塊中，通常需要兩顆二極管并聯(lián)以分擔(dān)電流。由于正溫度系數(shù)的存在，電流會自動向溫度較低（阻抗較低）的路徑偏移，從而實現(xiàn)自然的均流，無需額外的均流電路，極大簡化了PCB布局。

3.2.3 浪涌電流耐受能力

充電樁在啟動或電網(wǎng)波動時會面臨浪涌沖擊。B3D80120H2 具有高達(dá) 640A 的非重復(fù)正向浪涌電流能力（IFSM?,tp?=10ms）。這一強悍的抗沖擊能力確保了在電網(wǎng)異常情況下的器件生存率，提升了整機(jī)的可靠性。

4. 后級DC-DC核心器件深度技術(shù)評測

LLC級通過軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)高效率，但對器件的寄生參數(shù)和體二極管性能有特殊要求。

4.1 LLC開關(guān)管：B3M013C120Z (1200V SiC MOSFET)

該器件選用了TO-247-4封裝，是追求極限性能的體現(xiàn)。

4.1.1 封裝寄生參數(shù)優(yōu)化：凱爾文源極（Kelvin Source）

B3M013C120Z 采用了 TO-247-4 封裝 。

機(jī)制分析： 傳統(tǒng)的TO-247-3封裝中，源極引腳同時承載主功率回路的大電流和柵極驅(qū)動回路的參考電位。大電流變化（高 di/dt）會在源極引線電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，削弱實際加在芯片柵源極上的驅(qū)動電壓，限制開關(guān)速度并增加損耗。

凱爾文源極優(yōu)勢： Pin 3 作為凱爾文源極專門用于柵極驅(qū)動回路，Pin 2 作為功率源極。這種物理上的解耦消除了公共源極電感的影響，使得器件能夠?qū)崿F(xiàn)極快的開關(guān)瞬態(tài)（tr? 僅為 37ns，甚至快于電壓較低的器件），從而大幅降低開關(guān)損耗，即使在1200V高壓應(yīng)用中也能實現(xiàn)數(shù)百kHz的開關(guān)頻率。

4.1.2 輸出電容 (Coss?) 與ZVS設(shè)計

LLC變換器的軟開關(guān)（ZVS）依賴于磁化電流在死區(qū)時間內(nèi)抽取開關(guān)管輸出電容上的電荷。

參數(shù)解讀： 數(shù)據(jù)顯示在 800V 時，Coss? 為 215pF，存儲能量 Eoss? 約為 90μJ 。

設(shè)計指導(dǎo)： 較低的 Coss? 意味著實現(xiàn)ZVS所需的勵磁能量更小。設(shè)計者可以選用較大的勵磁電感（Lm?），從而減小變壓器原邊的循環(huán)電流，進(jìn)一步降低MOSFET的導(dǎo)通損耗和磁性元件的磁損，這對于提升輕載效率（往往是充電樁能效認(rèn)證的難點）至關(guān)重要。

4.1.3 競品對比與性能定位

在基本半導(dǎo)體提供的對比數(shù)據(jù)中 ，B3M040120Z（同系列40mΩ版本）與國際一線品牌（如Cree C3M系列、Infineon IMZA系列）進(jìn)行了詳細(xì)對標(biāo)。

FOM優(yōu)勢： 基本半導(dǎo)體的第三代工藝在 RDS(on)?×Qg?（品質(zhì)因數(shù)FOM）上表現(xiàn)優(yōu)異。相比傳統(tǒng)的平面柵技術(shù)，其在單位面積導(dǎo)通電阻降低的同時，并未顯著增加?xùn)艠O電荷。

開關(guān)速度： 對比測試波形顯示，B3M系列的開通延時 td(on)? 和上升時間 tr? 與行業(yè)標(biāo)桿處于同一水平甚至更優(yōu)（如 td(on)? 約為12.4ns）1，證明了其在高頻應(yīng)用中的頂級水準(zhǔn)。

4.2 LLC輸出整流：B3D80120H2的應(yīng)用考量

在LLC副邊，雖然同步整流（SR）MOSFET導(dǎo)通損耗更低，但在超高壓輸出（1000V）場景下，SiC SBD方案具有不可替代的可靠性優(yōu)勢。

高壓安全： 1000V輸出工況下，SR MOSFET的驅(qū)動時序極難控制，一旦發(fā)生死區(qū)直通將導(dǎo)致炸機(jī)。采用 B3D80120H2 二極管整流方案完全規(guī)避了直通風(fēng)險，且無需復(fù)雜的驅(qū)動電路，提升了系統(tǒng)的整體MTBF（平均無故障時間）。

熱管理能力： 通常認(rèn)為二極管損耗大（P≈VF?×I）。然而，B3D80120H2 采用了先進(jìn)的 銀燒結(jié)（Silver Sintering） 工藝 ，將其結(jié)到殼熱阻 Rth(j?c)? 降低至驚人的 0.20 K/W。這意味著即使耗散100W的功率，芯片內(nèi)部溫升也僅為20°C，極大緩解了散熱設(shè)計的壓力，使得二極管方案在大電流下依然可行。

5. 可靠性物理與環(huán)境適應(yīng)性論證

充電樁通常安裝在戶外，面臨高溫、高濕、冷熱沖擊等惡劣環(huán)境?；?1提供的可靠性測試報告，本方案選用的器件展現(xiàn)了極高的環(huán)境耐受力。

5.1 銀燒結(jié)工藝的可靠性增益

報告明確指出，B3M013C120Z 與 B3D80120H2 均應(yīng)用了 銀燒結(jié)技術(shù) 。

物理機(jī)制： 相比傳統(tǒng)焊料，燒結(jié)銀層的熔點高達(dá)960°C，且熱導(dǎo)率是焊料的5倍以上。

壽命提升： 這種連接技術(shù)消除了功率循環(huán)中常見的焊料層疲勞和空洞擴(kuò)展問題。在IOL（間歇工作壽命）測試中，器件經(jīng)歷了15000次 ΔTj?≥100°C 的劇烈熱循環(huán)而無失效 ，證明了其能夠承受電動汽車頻繁啟停充電帶來的熱沖擊。

5.2 高壓高濕反偏（H3TRB）測試解讀

H3TRB（85°C, 85% RH, 高壓偏置）是檢驗SiC器件鈍化層質(zhì)量和抗離子遷移能力的“金標(biāo)準(zhǔn)”。

測試結(jié)果： B3M013C120Z 在 VDS?=960V（額定電壓的80%）條件下通過了1000小時測試 。

現(xiàn)實意義： 許多早期SiC器件在高濕環(huán)境下會出現(xiàn)漏電流劇增甚至擊穿。通過此項嚴(yán)苛測試，表明該器件非常適合在沿海、熱帶雨林等高濕地區(qū)的充電站使用，無需對模塊進(jìn)行極其昂貴的完全灌膠密封，降低了系統(tǒng)成本。

5.3 柵極氧化層可靠性（TDDB）

SiC MOSFET的柵氧可靠性一直是行業(yè)關(guān)注焦點?；景雽?dǎo)體的TDDB數(shù)據(jù) 1 顯示，其器件在推薦驅(qū)動電壓下（VGS?=18V），預(yù)測壽命超過 2×109 小時，失效率極低。這意味著在充電樁10-15年的設(shè)計壽命周期內(nèi)，器件不會因為柵氧老化而失效。

6. 系統(tǒng)能效與損耗預(yù)算綜合分析

為實現(xiàn)“一級能效”，整個模塊在半載及滿載下的損耗預(yù)算極其緊張。

6.1 損耗分布估算

Vienna PFC級： 采用10mΩ的B3M010C075Z，假設(shè)輸入電流為50A，導(dǎo)通損耗 Pcond?≈502×0.01=25W。結(jié)合軟開關(guān)特性的開關(guān)損耗，單相總損耗可控制在極低水平，PFC級效率有望突破98.5%。

LLC DC-DC級： 原邊13.5mΩ MOSFET損耗極低。副邊二極管損耗是主要瓶頸。假設(shè)輸出電流80A，二極管壓降1.6V，損耗約128W。在輸出800V/64kW時，這僅占輸出功率的0.2%。

總效率預(yù)測： 考慮到磁性元件和線路損耗，整機(jī)峰值效率完全有能力達(dá)到 96.5% - 97.0% ，穩(wěn)居一級能效標(biāo)準(zhǔn)。

6.2 800V架構(gòu)的天然優(yōu)勢

本方案選用的1200V器件組合特別適合 800V電壓平臺 的車輛充電。相比400V系統(tǒng)，在相同功率下，800V系統(tǒng)的電流減半，MOSFET的 I2R 損耗降至四分之一；同時二極管的 VF? 壓降占比也減半。因此，該器件組合在服務(wù)新一代高壓車型時，能效表現(xiàn)將達(dá)到最優(yōu)。

7. 結(jié)論與設(shè)計建議

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(jī)）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(jìn)口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命，響應(yīng)國家“雙碳”政策（碳達(dá)峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。

綜上所述，采用 B3D80120H2、B3M010C075Z 和 B3M013C120Z 打造的超大功率充電模塊方案，在理論計算和實測數(shù)據(jù)層面均表現(xiàn)卓越。

核心結(jié)論：

參數(shù)匹配精準(zhǔn)： 750V MOSFET與1200V MOSFET的混合使用，完美契合了Vienna+LLC拓?fù)涞碾妷悍植继匦?，在成本與性能之間取得了最佳平衡。

熱設(shè)計魯棒： 銀燒結(jié)技術(shù)的全面應(yīng)用，解決了SiC器件芯片面積小、熱流密度大的物理局限，是實現(xiàn)超大功率密度的物理基礎(chǔ)。

可靠性驗證充分： 詳盡的H3TRB、HTRB及TDDB數(shù)據(jù)消除了SiC器件在戶外長期使用的質(zhì)量顧慮。

設(shè)計建議：

驅(qū)動設(shè)計： 建議利用TO-247-4的凱爾文源極，采用帶有米勒鉗位功能的隔離驅(qū)動器，驅(qū)動電壓設(shè)定為推薦的 ?5V/+18V ，以確保高速開關(guān)下的抗干擾能力。

布局優(yōu)化： 鑒于器件極高的開關(guān)速度（dv/dt>50V/ns），PCB布局需嚴(yán)格控制功率回路電感，并加強柵極驅(qū)動回路的屏蔽，以通過EMC測試。

該方案不僅在技術(shù)參數(shù)上滿足了一級能效的要求，更在工程可靠性上為充電樁制造商提供了一個經(jīng)過驗證的、低風(fēng)險的高性能解決方案。

8. 附錄：關(guān)鍵數(shù)據(jù)表與對比參數(shù)

表 1: B3M010C075Z (Vienna MOSFET) 關(guān)鍵特性

表 2: B3M013C120Z (LLC MOSFET) 關(guān)鍵特性

表 3: 可靠性測試結(jié)果概覽 (B3M013C120Z)

審核編輯 黃宇