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展，并且交通領域的電氣化進程也在加速。這些新興技術幾乎都要求使用大功率，對電源的要求更加苛刻。例如，電動汽車（EV）的電池包電壓現在動輒超過900 VDC，容量高達95kWh。快充/超充系統更甚，功率輕松突破240kW。氫燃料電池的電池堆是另一項在發展的汽車供電技術，功率能超500kW，電流達到了 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。

01市場需求下的挑戰

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。

EA10000系列可編程直流電源需滿足以下目標：

比現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

設計團隊考慮是使用基于硅（Si）的晶體管技術還是使用更新的碳化硅（SiC）功率晶體管。使用現有的硅半導體技術，當采用開關模式設計并且能夠在40kHz下運行時，電源設備的能效可以達到最大93%。如果電源設備使用一個5kW的功率模塊，那么可實現的功率密度為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 - 半導體場效應晶體管）設計需要三個開關晶體管才能產生5kW的功率。由于MOSFET的降額要求為30%，一個5kW的功率模塊必須串聯三個500VDC模塊才能達到1500VDC。三個5kW的功率模塊可以組成一個15kW的儀器。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。這些電源的數量可以填滿一個42U高、19英寸的測試機架。如果負載需求為450kW，那么測試系統將需要三個測試機架，占用18平方英尺的機架空間。如果這些電源以最大93%的效率運行，那么測試系統將產生31.5kW的熱量，需要將其散發掉。

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。

03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這種高功率半導體的導通和開關損耗要低得多。如圖1所示，當用作開關時，碳化硅MOSFET的電壓降比等效IGBT更低。碳化硅MOSFET的導通電阻（RDS(on)）在低負載時比飽和IGBT的pn結電阻更低。因此，碳化硅MOSFET的導通損耗比IGBT的導通損耗更低。如圖1右側所示，開關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需要更多時間才能關斷。圖1表明，碳化硅MOSFET將開關能量損耗降低了10倍。

圖1. 碳化硅MOSFET與硅IGBT之間的開關損耗和導通損耗比較

04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

05碳化硅晶體管的可靠性更高

從可靠性的角度來看，碳化硅MOSFET的實際擊穿電壓高于其數據手冊規格（見圖3）。碳化硅MOSFET的擊穿裕度表明了該元件對瞬態過壓的魯棒性。在低溫下，碳化硅MOSFET具有特定擊穿電壓。IGBT制造商無法保證在低溫下的擊穿電壓。例如，一個1200 V的IGBT無法在-30° C時耐受1200 V。在該溫度下必須對該設備進行降額。

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。

06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。

07EA10000系列電源實現的目標

EA利用碳化硅技術開發了4U/30kW, 6U/60kW的可編程電源，輸出電壓可達2000V。較之于基于硅晶體管的型號，這些產品的優點在于：

效率提高了3%

功率密度提高了37%

240W電源系統的占地面積減少了33%

240W電源系統的熱量產生減少了42%

每瓦成本降低了15 - 20%

利用碳化硅晶體管的更高開關速度，EA10000系列開關模式交流 - 直流轉換器的開關頻率約為60kHz。這比其他制造商的電源中開關頻率約為30 - 40 kHz的直流 - 直流轉換器快30%。10000系列更高的開關頻率使得磁性元件和放大器的尺寸都得以減小。磁性元件不僅在質量上縮小了30%，而且設計中少了一個電感元件，節省了寶貴的空間并且減少了廢熱的產生。