引言

為減緩氣候變化的步伐，人類在非化石燃料、可再生能源解決方案方面取得了進(jìn)展，并且交通領(lǐng)域的電氣化進(jìn)程也在加速。這些新興技術(shù)幾乎都要求使用大功率，對(duì)電源的要求更加苛刻。例如，電動(dòng)汽車（EV）的電池包電壓現(xiàn)在動(dòng)輒超過(guò)900 VDC，容量高達(dá)95kWh?？斐?超充系統(tǒng)更甚，功率輕松突破240kW。氫燃料電池的電池堆是另一項(xiàng)在發(fā)展的汽車供電技術(shù)，功率能超500kW，電流達(dá)到了 1000A。

一方面，我們需要擺脫化石燃料，另一方面，全球能耗又在不斷攀升。服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)就是一個(gè)能源需求更高的例子。為了有足夠的可再生能源來(lái)支撐運(yùn)行，服務(wù)器場(chǎng)正從交流配電轉(zhuǎn)型為直流配電，其工作電壓達(dá)360VDC，電流容量達(dá)2000A。此外，許多新興技術(shù)直接把電壓拉到1800 VDC的級(jí)別。

01市場(chǎng)需求下的挑戰(zhàn)

面對(duì)測(cè)試這些大功率產(chǎn)品的市場(chǎng)要求，EA需要開(kāi)發(fā)輸出功率更大、輸出電壓更高、以及有助于減小測(cè)試系統(tǒng)體積并降低能耗成本的電源。

EA10000系列可編程直流電源需滿足以下目標(biāo)：

比現(xiàn)有的可編程電源具有更高的效率

將直流輸出電壓提高到2000V

提高功率密度以減小體積

降低每瓦成本

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)考慮是使用基于硅（Si）的晶體管技術(shù)還是使用更新的碳化硅（SiC）功率晶體管。使用現(xiàn)有的硅半導(dǎo)體技術(shù)，當(dāng)采用開(kāi)關(guān)模式設(shè)計(jì)并且能夠在40kHz下運(yùn)行時(shí)，電源設(shè)備的能效可以達(dá)到最大93%。如果電源設(shè)備使用一個(gè)5kW的功率模塊，那么可實(shí)現(xiàn)的功率密度為9.2W/in3。

02基于硅晶體管的電源的局限性

基于硅的MOSFET（金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）設(shè)計(jì)需要三個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管才能產(chǎn)生5kW的功率。由于MOSFET的降額要求為30%，一個(gè)5kW的功率模塊必須串聯(lián)三個(gè)500VDC模塊才能達(dá)到1500VDC。三個(gè)5kW的功率模塊可以組成一個(gè)15kW的儀器。為了滿足150kW的負(fù)載需求，測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要十個(gè)15kW的電源。這些電源的數(shù)量可以填滿一個(gè)42U高、19英寸的測(cè)試機(jī)架。如果負(fù)載需求為450kW，那么測(cè)試系統(tǒng)將需要三個(gè)測(cè)試機(jī)架，占用18平方英尺的機(jī)架空間。如果這些電源以最大93%的效率運(yùn)行，那么測(cè)試系統(tǒng)將產(chǎn)生31.5kW的熱量，需要將其散發(fā)掉。

而考慮到實(shí)現(xiàn)新型電源所要達(dá)到的目標(biāo)，更是困難重重，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)決定采用碳化硅功率晶體管。下文介紹了碳化硅技術(shù)相比硅的替代方案的優(yōu)勢(shì)。

03碳化硅MOSFET的效率優(yōu)于硅IGBT

三相系統(tǒng)電源的先代產(chǎn)品使用硅絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。IGBT能夠支持1200V的電壓并且提供大電流。然而，IGBT的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗很高。相比之下，碳化硅MOSFET這種高功率半導(dǎo)體的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗要低得多。如圖1所示，當(dāng)用作開(kāi)關(guān)時(shí)，碳化硅MOSFET的電壓降比等效IGBT更低。碳化硅MOSFET的導(dǎo)通電阻（RDS(on)）在低負(fù)載時(shí)比飽和IGBT的pn結(jié)電阻更低。因此，碳化硅MOSFET的導(dǎo)通損耗比IGBT的導(dǎo)通損耗更低。如圖1右側(cè)所示，開(kāi)關(guān)損耗的差異要顯著得多。硅IGBT的電容比碳化硅MOSFET更高，并且IGBT需要更多時(shí)間才能關(guān)斷。圖1表明，碳化硅MOSFET將開(kāi)關(guān)能量損耗降低了10倍。

圖1. 碳化硅MOSFET與硅IGBT之間的開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗比較

04碳化硅晶體管的開(kāi)關(guān)速度

優(yōu)于硅晶體管

由于碳化硅MOSFET的開(kāi)關(guān)時(shí)間更短，因此這些晶體管可以以更快的開(kāi)關(guān)速度運(yùn)行。圖2顯示，碳化硅MOSFET的dv/dt速率幾乎是硅MOSFET的兩倍，無(wú)論是開(kāi)啟還是關(guān)斷。

圖2. 硅MOSFET（上圖）與碳化硅MOSFET（下圖）的開(kāi)啟和關(guān)斷速率

05碳化硅晶體管的可靠性更高

從可靠性的角度來(lái)看，碳化硅MOSFET的實(shí)際擊穿電壓高于其數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格（見(jiàn)圖3）。碳化硅MOSFET的擊穿裕度表明了該元件對(duì)瞬態(tài)過(guò)壓的魯棒性。在低溫下，碳化硅MOSFET具有特定擊穿電壓。IGBT制造商無(wú)法保證在低溫下的擊穿電壓。例如，一個(gè)1200 V的IGBT無(wú)法在-30° C時(shí)耐受1200 V。在該溫度下必須對(duì)該設(shè)備進(jìn)行降額。

圖3. 碳化硅MOSFET的實(shí)際擊穿電壓與溫度的關(guān)系。該圖表示了來(lái)自三個(gè)不同生產(chǎn)批次的15個(gè)組件的測(cè)量結(jié)果。

06碳化硅晶體管空間占用更少

碳化硅和硅功率半導(dǎo)體之間的另一個(gè)顯著差異是芯片尺寸。首先，碳化硅芯片比等效功率的硅晶體管芯片更小。其次，硅晶體管需要一個(gè)反向偏置二極管，以允許在集電極和發(fā)射極之間進(jìn)行雙向電流流動(dòng)。碳化硅晶體管的源 - 漏通道可以在兩個(gè)方向上導(dǎo)電。此外，碳化硅晶體管的寄生體二極管是晶體管結(jié)構(gòu)的一部分。因此，硅晶體管所需的額外二極管對(duì)于碳化硅晶體管來(lái)說(shuō)是不需要的。以一個(gè)1200V的晶體管為例，碳化硅晶體管芯片面積大約是硅晶體管芯片面積的1/4。因此，碳化硅組件在功率電路中的布局可以表現(xiàn)出更低的雜散電感。總體而言，更小的碳化硅封裝使得最終產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度。

07EA10000系列電源實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)

EA利用碳化硅技術(shù)開(kāi)發(fā)了4U/30kW, 6U/60kW的可編程電源，輸出電壓可達(dá)2000V。較之于基于硅晶體管的型號(hào)，這些產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)在于：

效率提高了3%

功率密度提高了37%

240W電源系統(tǒng)的占地面積減少了33%

240W電源系統(tǒng)的熱量產(chǎn)生減少了42%

每瓦成本降低了15 - 20%

利用碳化硅晶體管的更高開(kāi)關(guān)速度，EA10000系列開(kāi)關(guān)模式交流 - 直流轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率約為60kHz。這比其他制造商的電源中開(kāi)關(guān)頻率約為30 - 40 kHz的直流 - 直流轉(zhuǎn)換器快30%。10000系列更高的開(kāi)關(guān)頻率使得磁性元件和放大器的尺寸都得以減小。磁性元件不僅在質(zhì)量上縮小了30%，而且設(shè)計(jì)中少了一個(gè)電感元件，節(jié)省了寶貴的空間并且減少了廢熱的產(chǎn)生。