基于BASiC B3M011C120Y碳化硅MOSFET的120kW充電樁電源模塊設(shè)計與技術(shù)實現(xiàn)研究報告

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！

隨著全球電動汽車（EV）市場的爆發(fā)式增長，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已成為制約交通電氣化的關(guān)鍵因素之一。為了縮短充電時間，直流快充（DCFC）技術(shù)正朝著更高電壓（800V及以上）和更大功率（單模塊80kW-120kW，整樁480kW-960kW）的方向演進(jìn)。傳統(tǒng)的硅基功率器件在面對高電壓、大電流和高開關(guān)頻率的需求時，其物理特性已接近極限，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低、體積龐大且散熱困難。

碳化硅（SiC）作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，憑借其寬禁帶、高臨界擊穿電場和高熱導(dǎo)率的優(yōu)勢，正在徹底改變電力電子系統(tǒng)的設(shè)計范式。傾佳電子詳細(xì)探討了使用基本半導(dǎo)體（BASiC Semiconductor）生產(chǎn)的B3M011C120Y型1200V/11mΩ SiC MOSFET設(shè)計120kW充電樁電源模塊的技術(shù)路徑。該模塊采用三相六開關(guān)PFC作為前級整流，后級DC-DC采用全橋LLC諧振變換器，并實施兩路并聯(lián)架構(gòu)，以實現(xiàn)卓越的功率密度和轉(zhuǎn)換效率。

1. 核心功率器件分析：BASiC B3M011C120Y

在120kW充電模塊的設(shè)計中，功率器件的選擇直接決定了系統(tǒng)的性能上限。B3M011C120Y是一款專為高功率應(yīng)用優(yōu)化的SiC MOSFET，其采用了先進(jìn)的TO-247PLUS-4封裝，集成了開爾文源極（Kelvin Source）引腳。

1.1 關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)與物理特性

B3M011C120Y在TC?=25°C時具有223A的持續(xù)漏極電流能力，在TC?=100°C時仍能維持158A的電流，這為120kW的高功率輸出提供了堅實的電流余量。

該器件的低導(dǎo)通電阻（11mΩ）顯著降低了導(dǎo)通損耗。由于SiC MOSFET沒有硅基IGBT的拖尾電流（Tail Current），其開關(guān)損耗可降低達(dá)80%以上，這使得系統(tǒng)能夠在100kHz甚至更高的頻率下工作，而不必?fù)?dān)心過度的熱產(chǎn)生。

1.2 開爾文源極引腳的意義

B3M011C120Y采用的TO-247PLUS-4封裝引入了第3引腳——開爾文源極。在傳統(tǒng)的三引腳封裝中，柵極驅(qū)動回路與功率源極共享回路。由于功率回路中的高di/dt會在源極寄生電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這一電壓會反向抵消柵極驅(qū)動信號，從而減慢開關(guān)速度并引發(fā)震蕩。

通過開爾文源極引腳，柵極驅(qū)動回路能夠避開主功率回路的感應(yīng)電壓，從而實現(xiàn)更純凈的驅(qū)動波形、更快的開關(guān)動作以及更低的開關(guān)損耗。在120kW的設(shè)計中，開關(guān)頻率的提升能夠減小磁性元件的體積，這是實現(xiàn)高功率密度的關(guān)鍵前提。

2. 前級三相六開關(guān)PFC電路設(shè)計

120kW模塊的前級采用三相六開關(guān)PFC（三相全橋整流）拓?fù)?。該拓?fù)渚哂须p向功率流動能力，支持電動汽車與電網(wǎng)（V2G）的互動，且電路結(jié)構(gòu)相對簡單，成熟度高。

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

三相六開關(guān)PFC由六個B3M011C120Y SiC MOSFET組成，配合三相升壓電感。通過空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制，可以實現(xiàn)輸入電流的正弦化，并保持DC總線電壓穩(wěn)定在800V左右。

與傳統(tǒng)的硅基二極管整流相比，使用SiC MOSFET的六開關(guān)PFC具有以下優(yōu)勢：

高效率：SiC MOSFET極低的反向恢復(fù)電流（Irr?）大幅降低了開通損耗。

低THD：通過高頻調(diào)制，可以將總諧波失真控制在5%以下，滿足嚴(yán)苛的電網(wǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

雙向運(yùn)行：支持放電模式，將車輛電池能量反饋回電網(wǎng)或為其他設(shè)備供電。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)計算

對于120kW的輸出功率，假設(shè)系統(tǒng)總效率為97%，功率因數(shù)為0.99，輸入三相電壓為額定400VAC（線電壓）。

輸入總功率：

Pin?=ηPout??=0.97120,000?≈123.71kW

線電流有效值（RMS）：

IL.rms?=3

?VL.rms??PFPin??=3

??400?0.99123,710?≈180.4A

單個MOSFET需承受的峰值電流：

Ipk?=IL.rms??2

?≈255.1A

鑒于B3M011C120Y在100°C時的持續(xù)電流能力為158A，單管無法直接承載120kW的全部電流需求。因此，120kW充電堆通常由兩個60kW的電源模塊并聯(lián)組成。在每個單體模塊內(nèi)部，通過使用多顆SiC MOSFET并聯(lián)或分流，可以有效分擔(dān)電流應(yīng)力。

2.3 升壓電感設(shè)計

PFC電感的大小取決于允許的電流紋波和開關(guān)頻率。采用SiC器件后，開關(guān)頻率可提升至50kHz-100kHz，從而顯著減小電感感量和體積。

電感量計算公式近似為：

L=6?fs??ΔImax?Vbus??

其中Vbus?為800V，ΔImax?通常取峰值電流的20%。高頻化設(shè)計使得電感可以采用高性能的鐵硅鋁或納米晶磁芯，進(jìn)一步降低磁損并提高熱穩(wěn)定性。

3. 后級全橋LLC諧振變換器設(shè)計

后級DC-DC變換器是實現(xiàn)電隔離和輸出電壓精準(zhǔn)調(diào)節(jié)的核心。全橋LLC諧振變換器因其在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)原邊開關(guān)管ZVS（零電壓開關(guān)）和副邊二極管ZCS（零電流開關(guān)）的能力而成為首選。

3.1 兩路并聯(lián)架構(gòu)的必要性

為了輸出120kW的總功率，本方案采用兩路60kW全橋LLC電路并聯(lián)輸出。這種架構(gòu)相比于單路大功率設(shè)計有顯著優(yōu)勢：

熱應(yīng)力分散：將熱源均勻分布在PCB上，避免局部過熱。

磁件小型化：兩個小變壓器比一個巨大變壓器更容易繞制且漏感更容易控制。

靈活性：在輕載時可以關(guān)閉其中一路以提高輕載效率。

3.2 諧振槽路參數(shù)設(shè)計

諧振槽路由諧振電感Lr?、諧振電容Cr?和變壓器勵磁電感Lm?組成。對于800V輸入、200V-1000V寬范圍輸出的要求，諧振參數(shù)的設(shè)計至關(guān)重要。

諧振頻率fr?定義為：

fr?=2πLr?Cr?

1

系統(tǒng)通常設(shè)計在fr?附近運(yùn)行以獲得最高效率。B3M011C120Y的極低輸出電容Coss?（250pF）意味著完成ZVS所需的電荷量極小，這允許增大勵磁電感Lm?，從而減小環(huán)流損耗。

3.3 變壓器設(shè)計：串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的自動均流

在兩路并聯(lián)的LLC設(shè)計中，均流是一個巨大挑戰(zhàn)。傾佳電子推薦采用一種“原邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)”的變壓器結(jié)構(gòu)。

原邊串聯(lián)：兩個變壓器的原邊繞組串聯(lián)在同一個諧振回路中，確保通過兩者的電流完全一致，從而強(qiáng)制功率平衡。

副邊并聯(lián)：副邊通過各自的整流橋后并聯(lián)輸出，分?jǐn)偞箅娏鲬?yīng)力。

這種結(jié)構(gòu)極大地簡化了控制邏輯，不再需要復(fù)雜的數(shù)字均流算法，且對變壓器參數(shù)的一致性要求相對較低。

4. 兩路并聯(lián)的同步與控制策略

120kW模塊的高性能運(yùn)行離不開高性能的數(shù)字控制中心（通常為DSP或FPGA）。

4.1 控制邏輯與均流

對于并聯(lián)運(yùn)行的LLC，如果未采用原邊串聯(lián)硬件方案，則需在控制層面引入“虛擬阻抗”算法。 通過采集每路LLC的輸出電流，DSP實時微調(diào)每路開關(guān)頻率fs?或移相角度。實驗表明，基于DSP的數(shù)字控制可以將滿載時的電流不平衡度降低到5%以內(nèi)。

4.2 寬輸出電壓范圍的應(yīng)對

EV充電器的輸出電壓范圍極寬（200V-1000V）。當(dāng)電池電壓較低時，LLC變換器往往需要運(yùn)行在遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)的區(qū)域，導(dǎo)致效率下降。本方案建議結(jié)合頻率調(diào)制（PFM）和脈寬調(diào)制（PWM）的混合控制模式，或者在副邊整流側(cè)采用可重構(gòu)拓?fù)洌ù⒙?lián)切換二極管橋），以確保在全電壓范圍內(nèi)維持高效率。

5. 驅(qū)動電路與系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計

SiC MOSFET對驅(qū)動電路的要求遠(yuǎn)嚴(yán)于硅MOSFET。B3M011C120Y推薦的驅(qū)動電壓為 +18V / -5V。

5.1 隔離驅(qū)動器的選擇

推薦使用如TI的UCC21710或Infineon的1ED3122等隔離驅(qū)動芯片。這些芯片具備以下關(guān)鍵功能：

強(qiáng)驅(qū)動能力：提供±10A的峰值電流，快速充放電B3M011C120Y的柵極電容。

主動米勒鉗位（Active Miller Clamp） ：在關(guān)斷期間通過低阻抗通路鉗位柵極電壓，防止高dv/dt產(chǎn)生的位移電流引起誤導(dǎo)通。

退飽和保護(hù)（DESAT） ：監(jiān)測漏源極電壓，一旦發(fā)生短路，在微秒級時間內(nèi)關(guān)閉管子并反饋故障信號。

5.2 柵極回路布局優(yōu)化

由于B3M011C120Y的開關(guān)速度極快，柵極回路中的任何寄生電感都會導(dǎo)致劇烈的振鈴。布局時應(yīng)遵循：

驅(qū)動器盡量靠近MOSFET引腳。

使用開爾文源極引腳連接驅(qū)動地。

柵極電阻（RG.on?,RG.off?）應(yīng)分立設(shè)計，以分別優(yōu)化開通和關(guān)斷速度。

6. 120kW系統(tǒng)的熱管理：液冷與強(qiáng)制風(fēng)冷

120kW模塊在滿載時產(chǎn)生的廢熱約為3kW-5kW（按97%效率計算）。如何高效散熱直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性和功率密度。

6.1 液冷設(shè)計的優(yōu)勢

在120kW及以上功率等級，液冷系統(tǒng)已成為主流選擇。 通過鋁制冷板（Cold Plate）內(nèi)部流動的冷卻液（通常為50/50的水乙二醇混合液），可以將功率器件的熱量迅速帶走。仿真顯示，采用液冷冷板后，SiC MOSFET的結(jié)溫可從風(fēng)冷的110°C降低到70°C左右，熱管理效率提升約36%。

6.2 風(fēng)冷設(shè)計的挑戰(zhàn)

若采用強(qiáng)制風(fēng)冷，則需要巨大的鋁散熱器和高風(fēng)壓風(fēng)機(jī)。

優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)成本低。

缺點(diǎn)：噪音大（可達(dá)75dB以上），容易吸入灰塵和濕氣，降低模塊壽命。

優(yōu)化：采用獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計，將功率件散熱器與敏感控制電路物理隔離。

7. 電磁兼容性（EMC）與PCB布局

SiC MOSFET的高dv/dt（可達(dá)50V/ns以上）和di/dt會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。

7.1 PCB布局核心原則

為了抑制EMI，PCB設(shè)計必須關(guān)注“最小環(huán)路面積”。

功率環(huán)路：DC總線電容應(yīng)盡可能靠近MOSFET的D引腳和S引腳，使用多層板覆銅重疊以抵消寄生電感。

驅(qū)動環(huán)路：驅(qū)動信號線與返回地線應(yīng)成對布線，或者在驅(qū)動線正下方布置地平面。

電容去耦：在SiC MOSFET引腳處并聯(lián)高頻陶瓷電容（MLCC），吸收開關(guān)瞬態(tài)的高頻尖峰。

7.2 濾波器設(shè)計

120kW系統(tǒng)必須配備兩級EMI濾波器。

差模（DM）噪聲：主要由高頻開關(guān)電流引起，通過大容量電感和X電容濾除。

共模（CM）噪聲：由高dv/dt通過器件對地寄生電容耦合產(chǎn)生，通過共模電感和Y電容濾除。 在液冷模塊中，冷板通常接地，這會增加器件對地的共模電容，因此液冷系統(tǒng)需要更強(qiáng)的共模抑制能力。

8. 結(jié)論

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。

利用BASiC B3M011C120Y碳化硅MOSFET設(shè)計120kW充電樁電源模塊，是實現(xiàn)高性能快充設(shè)施的必然選擇。通過前級三相六開關(guān)PFC和后級兩路并聯(lián)全橋LLC拓?fù)涞慕M合，結(jié)合“原邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)”的變壓器平衡策略，可以充分發(fā)揮SiC器件高頻、高效、高耐溫的特性。

在工程實現(xiàn)中，必須高度重視開爾文源極的驅(qū)動布局、高dv/dt環(huán)境下的EMC設(shè)計以及集成液冷熱管理系統(tǒng)的開發(fā)。B3M011C120Y的11mΩ極低導(dǎo)通電阻和1200V耐壓，為重卡大功率充電的普及鋪平了道路。通過本文所述的系統(tǒng)化設(shè)計，可以構(gòu)建出峰值效率超過98.5%、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的高功率密度充電模塊，有力支撐電動汽車行業(yè)的快速轉(zhuǎn)型。