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碳化硅技術賦能EA10000系列電源的技術解析與優勢對比

發布時間:2025-4-1 18:45    發布者:eechina
作者:泰克科技

為了減緩氣候變化,人類在非化石燃料和可再生能源解決方案方面取得了顯著進展,交通領域的電氣化進程也在加速推進。這些新興技術大多對電源提出了更高的要求,尤其是對大功率的需求。例如,電動汽車(EV)的電池包電壓已高達900 VDC以上,容量可達95kWh;快充和超充系統功率更是輕松突破240kW。氫燃料電池堆作為另一種汽車供電技術,其功率可超過500kW,電流高達1000A。

市場需求下的挑戰

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。服務器農場就是一個能源需求更高的例子。為了有足夠的可再生能源來支撐運行,服務器場正從交流配電轉型為直流配電,其工作電壓達360VDC,電流容量達2000A。此外,許多新興技術直接把電壓拉到1800 VDC的級別。



面對測試這些大功率產品的市場要求,EA需要開發輸出功率更大、輸出電壓更高、以及有助于減小測試系統體積并降低能耗成本的電源。

硅晶體管電源的局限性

基于硅的MOSFET(金屬 - 氧化物 - 半導體場效應晶體管)設計需要三個開關晶體管才能實現5kW的功率輸出。由于MOSFET的降額要求為30%,單個5kW功率模塊需要串聯三個500VDC模塊才能達到1500VDC。三個5kW功率模塊組成一個15kW的電源設備。為了滿足150kW的負載需求,測試系統設計人員需要十個15kW的電源,這些電源足以填滿一個42U高、19英寸寬的測試機架。如果負載需求進一步增加到450kW,測試系統將需要三個這樣的機架,占用18平方英尺的空間。在這種情況下,如果這些電源以最大93%的效率運行,測試系統將產生31.5kW的熱量,需要有效的散熱措施來處理。

而考慮到實現新型電源所要達到的目標,更是困難重重,設計團隊決定采用碳化硅功率晶體管。下文介紹了碳化硅技術相比硅的替代方案的優勢。

碳化硅MOSFET的效率優于硅IGBT

三相系統電源的先代產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的導通和開關損耗很高。相比之下,碳化硅MOSFET作為一種高功率半導體器件,其導通和開關損耗顯著低于傳統硅IGBT。如圖1所示,當用作開關時,碳化硅MOSFET的電壓降明顯低于等效IGBT。碳化硅MOSFET的導通電阻(RDS(on))在低負載條件下也低于飽和IGBT的pn結電阻,從而降低了導通損耗。此外,開關損耗的差異更為顯著。硅IGBT的電容更高,且關斷時間更長。圖1表明,碳化硅MOSFET的開關能量損耗僅為IGBT的1/10。


圖1. 碳化硅MOSFET與硅IGBT之間的開關損耗和導通損耗比較

碳化硅晶體管的開關速度優于硅晶體管

由于碳化硅MOSFET的開關時間更短,因此這些晶體管可以以更快的開關速度運行。圖2顯示,碳化硅MOSFET的dv/dt速率幾乎是硅MOSFET的兩倍,無論是開啟還是關斷。


圖2. 硅MOSFET(上圖)與碳化硅MOSFET(下圖)的開啟和關斷速率

碳化硅晶體管的可靠性更高

從可靠性角度來看,碳化硅MOSFET的實際擊穿電壓高于其數據手冊規格(見圖3)。這一特性表明碳化硅MOSFET在面對瞬態過壓時具有更強的魯棒性。在低溫條件下,碳化硅MOSFET仍能保持特定的擊穿電壓,而IGBT制造商則無法保證其產品在低溫下的擊穿電壓。例如,一個額定1200V的IGBT在-30°C時無法耐受1200V的電壓,必須進行降額處理。


圖3. 碳化硅MOSFET的實際擊穿電壓與溫度的關系。該圖表示了來自三個不同生產批次的15個組件的測量結果。

碳化硅晶體管空間占用更少

碳化硅和硅功率半導體之間的另一個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,硅晶體管需要一個反向偏置二極管,以允許在集電極和發射極之間進行雙向電流流動。碳化硅晶體管的源 - 漏通道可以在兩個方向上導電。此外,碳化硅晶體管的寄生體二極管是晶體管結構的一部分。因此,硅晶體管所需的額外二極管對于碳化硅晶體管來說是不需要的。

以一個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品能夠實現更高的功率密度。

EA10000系列電源實現的目標

EA公司憑借先進的碳化硅(SiC)技術,成功開發出4U/30kW和6U/60kW的高性能可編程電源,其輸出電壓最高可達2000V。與傳統基于硅晶體管的同類產品相比,這些電源在多個關鍵性能指標上實現了顯著提升:效率提高了3%,功率密度提升了37%,240W電源系統的占地面積減少了33%,熱量產生降低了42%,每瓦成本也降低了15% - 20%。

EA10000系列開關模式交流-直流轉換器利用碳化硅晶體管的高開關速度,其開關頻率可達60kHz,比其他制造商電源中開關頻率約為30 - 40kHz的直流 - 直流轉換器快30%。這一更高的開關頻率不僅使磁性元件和放大器的尺寸得以顯著減小,還使磁性元件的質量減少了30%,并且設計中少了一個電感元件,從而節省了寶貴的空間并進一步減少了廢熱的產生。

EA10000系列可編程直流電源的開發目標是:
•        實現比現有可編程電源更高的效率;
•        將直流輸出電壓提升至2000V;
•        提高功率密度以減小設備體積;
•        降低每瓦成本。

在設計過程中,團隊深入探討了是采用傳統的基于硅(Si)晶體管技術,還是采用更新的碳化硅(SiC)功率晶體管。如果使用現有的硅半導體技術,在開關模式設計下,電源設備的能效最高可達93%,并且當采用5kW功率模塊時,可實現的功率密度為9.2W/in3。

更多了解EA大功率電源測試解決方案,https://www.tek.com.cn/products/ea

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