傾佳電力電子設(shè)備高壓輔助電源拓?fù)?、器件選型與1700V SiC MOSFET技術(shù)分析報(bào)告

I. 緒論：高壓電力電子系統(tǒng)對(duì)輔助電源的嚴(yán)苛要求

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(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN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(dòng)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(jí)！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)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(shì)！

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(shì)！

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(shì)！

A. 電力電子設(shè)備中的高壓 DC 母線環(huán)境概述

光伏逆變器、儲(chǔ)能變流器（ESS）和大功率變頻器（VFD）是現(xiàn)代電網(wǎng)和工業(yè)應(yīng)用中的核心設(shè)備。這些設(shè)備的主功率級(jí)通常運(yùn)行在極高的直流母線電壓下，常見電壓范圍在 600V DC 至 1000V DC 甚至更高 。輔助電源（Auxiliary Power Supply, Aux PSU）在這些高壓系統(tǒng)中扮演著“神經(jīng)中樞”的角色，負(fù)責(zé)為關(guān)鍵的低壓子系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，包括柵極驅(qū)動(dòng)器、控制電路（如 DSP/MCU）、冷卻風(fēng)扇、傳感器和通信模塊。因此，輔助電源的可靠性直接決定了整個(gè)主系統(tǒng)的運(yùn)行效率和壽命。

為了直接從高壓直流母線取電，輔助電源的主開關(guān)器件必須具備極高的耐壓能力。設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要承受標(biāo)稱的直流輸入電壓，更要預(yù)留充足的裕量來吸收在開關(guān)瞬態(tài)過程和系統(tǒng)浪涌期間產(chǎn)生的嚴(yán)重電壓尖峰。在追求高效率和高功率密度的趨勢(shì)下，輔助電源的性能要求變得極為苛刻。

B. 傳統(tǒng)硅（Si）方案在高壓應(yīng)用中的局限性

傳統(tǒng)的硅功率半導(dǎo)體在高壓應(yīng)用中面臨著不可逾越的性能瓶頸。為了實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓，傳統(tǒng)的硅高壓 MOSFET 或 IGBT 需要非常厚的漂移區(qū)。這一結(jié)構(gòu)上的要求導(dǎo)致了漏源導(dǎo)通電阻 (RDS(on)?) 顯著增加，進(jìn)而產(chǎn)生了較大的傳導(dǎo)損耗 。

高傳導(dǎo)損耗意味著大量的熱能產(chǎn)生，這使得系統(tǒng)必須依賴體積龐大的散熱器進(jìn)行熱管理。這種需求與現(xiàn)代電力電子設(shè)備追求小型化、輕量化和高功率密度的發(fā)展趨勢(shì)完全背道而馳 。

此外，如果為了滿足超過 1300V 的耐壓需求而采用電壓等級(jí)較低的 Si MOSFET 串聯(lián)方案（例如串聯(lián)一對(duì) 800V MOSFET），雖然理論上可以達(dá)到高耐壓，但這種方法會(huì)引入復(fù)雜的柵極驅(qū)動(dòng)電路和精密的電壓平衡電路。這不僅顯著增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性、物料成本，而且增加了潛在的故障點(diǎn) 。由于光伏和儲(chǔ)能領(lǐng)域的停機(jī)維護(hù)成本極高，犧牲電壓裕量或引入復(fù)雜串聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是對(duì)系統(tǒng)長期可靠性的重大威脅。因此，設(shè)計(jì)人員迫切需要一種能夠在高壓下提供高效率、高熱穩(wěn)定性且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的解決方案。

II. 高壓輔助電源的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略

A. 拓?fù)溥x擇：隔離型反激轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)

在中低功率（通常小于300W）的高壓隔離應(yīng)用中，隔離型反激（Flyback）轉(zhuǎn)換器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元件數(shù)量少、以及天然提供輸入/輸出隔離的優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)輔助電源和開關(guān)電源的首選拓?fù)?。 為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)的能效并降低開關(guān)損耗，現(xiàn)代輔助電源設(shè)計(jì)經(jīng)常采用準(zhǔn)諧振（Quasi-Resonant, QR）反激控制模式 。QR 模式通過在主開關(guān)的漏源電壓 ( VDS?) 波形的谷底導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)零電壓開關(guān)（ZVS）。這種谷底開關(guān)技術(shù)在高頻操作下表現(xiàn)尤為優(yōu)異，能夠最大限度地減少開關(guān)損耗。

B. 核心控制策略：電流模式 PWM 控制器

輔助電源的高效運(yùn)行依賴于高性能的電流模式 PWM 控制器，例如基本半導(dǎo)體（BASiC Semiconductor）的 BTPx84x 系列，該系列專為反激電源和 BOOST 變換器設(shè)計(jì) 。

該系列控制器具備支持高頻操作的能力，其最高工作頻率可達(dá) 500kHz 。這一高頻特性是選用 SiC MOSFET 的直接推動(dòng)力，因?yàn)橹挥?SiC 器件極低的開關(guān)損耗才能在 500kHz 頻率下保持高效率。控制器通過 ISENSE 管腳實(shí)現(xiàn)原邊電流檢測(cè)和逐周期限流功能，提高了系統(tǒng)保護(hù)的響應(yīng)速度 。此外，該控制器系列提供了高達(dá) ±1A 的門極驅(qū)動(dòng)峰值電流 ，這足以直接、快速地驅(qū)動(dòng)低柵極電荷 ( QG?) 的 SiC MOSFET（如 B2M600170 系列 QG? 僅為 14 nC） 。

在高壓反激拓?fù)渲?，確定主開關(guān)的耐壓需求至關(guān)重要。開關(guān)在關(guān)斷瞬間承受的峰值電壓應(yīng)力 (VDS,peak?) 是由輸入電壓、反射電壓和開關(guān)尖峰共同決定的：

VDS,peak?≈Vin,max?+VOR?+Vspike?

在 1000V DC 輸入的系統(tǒng)中，VDS,peak? 極易超過 1500V。這種固有的高電壓應(yīng)力要求器件必須擁有足夠的裕量。此外，控制器必須具備魯棒的欠壓鎖定（UVLO）機(jī)制，以確保在高壓?jiǎn)?dòng)和掉電過程中 VCC 供電的穩(wěn)定。BTPx84x 系列提供了寬滯回的 UVLO 特性（例如 BTPx842/BTPx844 的恢復(fù)閾值為 16V，保護(hù)閾值為 10V） ，這是在高壓惡劣環(huán)境中確保輔助電源穩(wěn)定啟動(dòng)的必要條件。SiC 的低

QG? 允許控制器運(yùn)行在高頻（500kHz），從而減小磁性元件和電容的體積，直接實(shí)現(xiàn)高功率密度。

III. 碳化硅 (SiC) 技術(shù)的本質(zhì)優(yōu)勢(shì)與對(duì)比分析

A. SiC 物理特性：寬帶隙的深層意義

碳化硅（SiC）屬于寬禁帶（Wide Bandgap, WBG）半導(dǎo)體材料，其卓越的性能根植于其優(yōu)異的物理特性 。

帶隙能 (Bandgap Energy, Eg?): SiC 的帶隙能為 3.2 eV，大約是傳統(tǒng)硅（1.1 eV）的三倍 。更高的

Eg? 使得 SiC 器件能夠在更高的溫度下保持穩(wěn)定的電學(xué)特性，降低本征載流子濃度，從而極大地減少高溫下的漏電流 (IDSS?)。

臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng) (Critical Breakdown Field Strength, EC?): SiC 的 EC? 約為 3 MV/cm，是硅（約 0.3 MV/cm）的十倍 。這一特性具有革命性的意義：為了實(shí)現(xiàn)相同的擊穿電壓，SiC 功率器件的漂移層可以設(shè)計(jì)得更薄，這直接導(dǎo)致了在給定耐壓下，器件單位面積的導(dǎo)通電阻 ( RDS(on)?) 遠(yuǎn)低于 Si 器件。

B. 動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能的優(yōu)化

SiC 材料的特性直接轉(zhuǎn)化為卓越的電氣性能，使其完美契合高頻輔助電源的需求。

靜態(tài)性能方面，BASiC 1700V SiC MOSFETs（如 B2M600170 系列）在 25°C 時(shí)典型的 RDS(on)? 僅為 600 mΩ ，在高壓器件中表現(xiàn)出色，顯著降低了傳導(dǎo)損耗。

動(dòng)態(tài)性能方面，SiC MOSFET 具有極低的開關(guān)損耗。總柵極電荷 (QG?) 僅為 14 nC ，確保了低驅(qū)動(dòng)損耗和納秒級(jí)的開關(guān)速度，能夠支持 500kHz 級(jí)別的高頻操作。此外，輸出電容存儲(chǔ)能量 ( Eoss?) 僅為 6.3 μJ ，最大程度地減少了開關(guān)瞬間的能量消耗。

另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于 SiC MOSFET 的體二極管。與傳統(tǒng) Si 器件不同，SiC 體二極管的反向恢復(fù)電荷 (Qrr?) 極低，典型值在 25°C 時(shí)分別為 42 nC (H 封裝) 或 38 nC (R 封裝) 。這種近乎零的反向恢復(fù)特性徹底消除了 Si 器件在高頻硬開關(guān)中常見的反向恢復(fù)損耗和 EMI 問題。

C. 熱管理與可靠性提升

SiC 技術(shù)對(duì)熱管理帶來的效益不僅僅是效率提升。BASiC SiC MOSFET 的最大工作結(jié)溫 (Tj?) 上限高達(dá) 175°C ，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更大的熱裕量。結(jié)合 SiC 優(yōu)異的熱導(dǎo)率，這意味著器件在高環(huán)境溫度或高功率密度下仍能保持可靠運(yùn)行。

實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)證實(shí)了 SiC 的熱管理優(yōu)勢(shì)。在 1000V DC 輸入、滿載 65W 輸出的苛刻條件下，SiC 器件的實(shí)測(cè)溫度仍能穩(wěn)定控制在 92°C 左右 。該溫度遠(yuǎn)低于 175°C 的結(jié)溫上限，保證了在光伏和儲(chǔ)能等惡劣工業(yè)環(huán)境中的長期熱可靠性和更長的使用壽命 。這種對(duì)環(huán)境溫度的高容忍度是系統(tǒng)可靠性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

IV. 1700V SiC MOSFET 成為高壓輔助電源主流選擇的必然性

A. 高壓系統(tǒng)輸入端設(shè)計(jì)裕量需求論證

1700V SiC MOSFET 成為主流選擇的根本原因在于其提供了高壓系統(tǒng)運(yùn)行所需不可或缺的電壓安全裕量。對(duì)于標(biāo)稱 1000V DC 母線的電力電子系統(tǒng)，反激拓?fù)渲兄鏖_關(guān)的瞬態(tài)峰值電壓 VDS,peak? 極有可能達(dá)到 1500V 甚至更高。

如果選用 1200V 額定電壓的器件，在高壓輸入下將缺乏任何安全裕量。即使是微小的漏感尖峰或母線電壓瞬變，都可能導(dǎo)致器件超過其最大額定電壓，進(jìn)而引發(fā)雪崩擊穿和系統(tǒng)性失效 。雖然 1500V 器件提供了稍多一些的裕量，但如果采用硅技術(shù)，其 RDS(on)? 通常過高，熱性能不佳。

相比之下，1700V SiC MOSFET（如 B2M600170 系列） 提供了至少 20% 至 30% 的絕對(duì)安全裕量，能夠可靠地吸收設(shè)計(jì)中難以完全消除的開關(guān)尖峰和系統(tǒng)級(jí)浪涌。這一安全閾值保障了在 1000V DC 應(yīng)用中長期、穩(wěn)定的運(yùn)行。

B. BASiC 1700V SiC MOSFET B2M600170 系列的技術(shù)驗(yàn)證

基本半導(dǎo)體 B2M600170 系列 SiC MOSFET 以其卓越的參數(shù)平衡性，成為了高壓輔助電源的首選。該系列具備 1700V 的高耐壓等級(jí)，同時(shí)保持了 25°C 時(shí) 600 mΩ 的低典型導(dǎo)通電阻 。其極低的 QG?（14 nC）配合 BTPx84x 等 500kHz 級(jí)別的控制器，使得高頻開關(guān)成為可能。

值得注意的是，SiC RDS(on)? 具有正溫度系數(shù)，即 RDS(on)? 會(huì)隨著溫度升高而增加。該系列器件從 25°C 的 600 mΩ 增加到 175°C 的 1230 mΩ (約 2.05倍) 。這一特性雖然會(huì)使高溫傳導(dǎo)損耗略微增加，但它是一種防止熱失控（Thermal Runaway）的固有保護(hù)機(jī)制，大大增強(qiáng)了器件在各種工況下的穩(wěn)定性。

下表總結(jié)了 BASiC B2M600170 系列的關(guān)鍵性能參數(shù)，證明了其在可靠性、效率和熱性能方面的優(yōu)勢(shì)：

BASiC B2M600170 系列關(guān)鍵性能參數(shù)對(duì)比

V. 封裝與熱性能對(duì)輔助電源小型化的影響

A. 封裝技術(shù)對(duì)開關(guān)性能的決定性影響

為了滿足不同的安裝和散熱要求，該系列 SiC MOSFETs 提供了多種封裝選項(xiàng)，例如螺釘安裝的 TO-247-3 (B2M600170H) 和表面貼裝的 TO-263B-7 (B2M600170R) 。

在追求極致功率密度和高頻操作的輔助電源設(shè)計(jì)中，封裝技術(shù)對(duì)開關(guān)性能的影響是決定性的。B2M600170R 采用的 TO-263B-7 封裝集成了 **Kelvin Source（開爾文源）**端子 。開爾文源是一個(gè)單獨(dú)的信號(hào)源引腳，用于連接?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)回路，從而將主電流路徑中的高寄生電感（Common Source Inductance, CSI）從敏感的驅(qū)動(dòng)回路中分離出來。

通過有效消除 CSI 對(duì)柵極電壓產(chǎn)生的負(fù)反饋效應(yīng)，開爾文源極大地加快了開關(guān)速度并降低了動(dòng)態(tài)損耗。數(shù)據(jù)顯示，R 封裝的典型開通延遲時(shí)間 (td(on)?) 僅為 7 ns，遠(yuǎn)低于 H 封裝的 12 ns 。更重要的是，R 封裝在 25°C 時(shí)的典型開通能量 (Eon?) 為 53 μJ，比 H 封裝的 80 μJ 減少了約 34% 。這表明，先進(jìn)的封裝技術(shù)是充分釋放 SiC 核心材料高速開關(guān)潛能的關(guān)鍵。

B. SiC 器件對(duì)功率密度提升的量化貢獻(xiàn)

SiC 器件與高頻控制器（如 BTPx84x 的 500kHz）的結(jié)合，使得輔助電源實(shí)現(xiàn)了顯著的小型化。由于 Eon? 極低，開關(guān)頻率可以遠(yuǎn)超傳統(tǒng) Si 方案（通常低于 150kHz），進(jìn)而使得電感、變壓器和電容等無源元件的體積和重量大幅減小。

在行業(yè)層面，高頻化帶來的小型化效益是巨大的。研究表明，在以 1 MHz 運(yùn)行的隔離型 LLC 轉(zhuǎn)換器中，采用 SiC 或 GaN 技術(shù)可以使磁性元件的尺寸和重量減少高達(dá)六倍 。

此外，SiC 的低損耗特性和高達(dá) 175°C 的工作結(jié)溫，極大地降低了對(duì)熱管理系統(tǒng)的要求。設(shè)計(jì)人員可以顯著減小甚至取消散熱器 ，這直接促進(jìn)了高功率密度 Aux PSU 的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于空間和重量受限的儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車充電站等應(yīng)用至關(guān)重要。

VI. 總結(jié)與行業(yè)展望

A. 總結(jié) 1700V SiC MOSFET 在輔助電源設(shè)計(jì)中的核心價(jià)值

1700V SiC MOSFET 已成為高壓電力電子輔助電源的主流選擇，其核心價(jià)值體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

超高可靠性： 1700V 的耐壓等級(jí)為 1000V DC 輸入系統(tǒng)提供了 20% 到 30% 的絕對(duì)安全裕量，這是保證在瞬態(tài)尖峰和系統(tǒng)浪涌下長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵要素。

極致效率與小型化： 憑借 600 mΩ 的低 RDS(on)? 和極低的開關(guān)損耗（QG? 14 nC，Eon? 低至 53 μJ），SiC 支持 500kHz 級(jí)別的高頻操作。這一高頻化是實(shí)現(xiàn)高功率密度、顯著減小磁性元件體積和減少散熱器需求的前提。

高溫穩(wěn)定性： 175°C 的最大工作結(jié)溫以及 SiC 固有的正溫度系數(shù) RDS(on)?，確保了設(shè)備在戶外或工業(yè)等惡劣環(huán)境下的長期熱可靠性。

B. 對(duì)未來電力電子系統(tǒng)輔助電源設(shè)計(jì)趨勢(shì)的展望

深圳市傾佳電子有限公司（簡(jiǎn)稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動(dòng)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(chǔ)能、充電基礎(chǔ)設(shè)施；
交通電動(dòng)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(tái)升級(jí)；
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(dòng)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。
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隨著 SiC 技術(shù)的成熟和成本的持續(xù)優(yōu)化，1700V SiC MOSFET 預(yù)計(jì)將完全取代復(fù)雜的串聯(lián) Si 方案，成為 1000V 級(jí)應(yīng)用中輔助電源的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置。

未來的設(shè)計(jì)趨勢(shì)將傾向于更高的集成度。例如，將 SiC 功率開關(guān)、柵極驅(qū)動(dòng)器和 PWM 控制器集成到高度優(yōu)化的芯片組或模塊中，將進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，并實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。這種集成化與 SiC 材料優(yōu)勢(shì)的結(jié)合，將繼續(xù)推動(dòng)光伏、儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車等高壓電力電子系統(tǒng)的發(fā)展。

審核編輯 黃宇