SMC 1700V SiC MOSFET用于中功率新能源，两级拓扑更简单，效率、功率密度、可靠性提升

时间： 2024-06-05 来源：SMC（桑德斯微电子公众号）

技术问答

高电压SiC MOSFET在低功率辅助电源的应用带来了诸多收益。随着功率处理能力的提升，碳化硅半导体的切换速度更快、效率更高，其收益也随之增大。碳化硅半导体技术在几十至几百千瓦的功率范围已有许多应用，例如新能源车牵引逆变器、充电器、太阳能逆变器、UPS和电机驱动器等。

▲中功率三相逆变器及其拓扑示意 | 图源：RedeWEB

更高效率，更低成本

下方图例中比较了SiC MOSFET和Si IGBT解决方案的效率。SiC MOSFET在10 kHz时的峰值效率可达99.4%。即使开关频率增加三倍、达到30 kHz，SiC MOSFET的效率仍然高于Si IGBT。

▲10/30kHz开关频率下SiC与Si方案的效率对比 | 图源：Microchip

据此，在应用中将Si IGBT组件替换为SiC MOSFET时，可以简化原本笨重且昂贵的滤波器组件至原尺寸的三分之一左右。

总体而言，与Si IGBT相比，SiC MOSFET平均可减少80%的开关损耗，从而使转换器能够提高开关频率，同时减小原本体积庞大且价格昂贵的转换器的尺寸、重量和成本。

▲太阳能逆变器 | 图源：OrizonEnergy

SiC MOSFET和Si IGBT在重负荷下的传导损耗相似，但在更普遍的轻负荷工况下，碳化硅的传导损耗远低于硅解决方案，并与其低开关损耗的优势相得益彰。

而事实上，太阳能逆变器、风力涡轮机转换器、交通辅助动力装置 (APU) 等众多应用都长期处于轻负荷工况。由于高电压SiC MOSFET的使用，可以更多的减少散热器的数量，从而为终端应用进一步“减负”。

▲风力涡轮机转换器 | 图源：WorldEnergy

更精简，更可靠

与低功率辅助电源应用一样，在中功率范围内使用SiC MOSFET后，设计人员可通过使用更简单的电路拓扑和控制方案来提高可靠性。而这又有助于减少元件数量并降低相关成本。

在这些中功率新能源领域中，中功率电源转换器的高功率传输需求需要使用1000V-1300V的直流总线电压。在之前很长一段时间里，为了最大程度提高效率，在此类高直流电压下使用硅元件的设计人员不得不从一些复杂的三级电路架构中进行选择。例如二极管中性点钳位NPC电路、有源NPC (ANPC) 电路和T型电路。

而随着1700V SiC MOSFET的出现，设计人员如今可以使用零部件总数减半、同时控制方案显著简化的两级电路。例如，之前在三级电路拓扑中使用Si IGBT的系统，可在更可靠的两级拓扑中使用一半数量或更少的1700V SiC MOSFET功率模块。

由于可以使用更简单的两级拓扑，碳化硅技术提升了效率和功率密度，同时提高了可靠性。因此，一个75kW三项逆变器中的每个相段只有两个单元元件和两个控制器，正如下图的NPC、ANPC和T型电路示例所示。

▲NPC、ANPC和T型电路示例 | 图源：RedeWEB

当NPC、ANPC和T型电路中的部件总数不同程度的减少，在不考虑开关并联的情况下，传统Si IGBT使用的各种电路架构的元件数量将会是碳化硅解决方案的4至6倍。而随着元件数量的大幅缩减，栅极驱动器也相应减少，因此，方案在整体上将得到了进一步简化。

SMC的碳化硅布局

SMC桑德斯微电子根据客户的需求设计和生产半导体及相关产品。

2015年，SMC布局碳化硅产品的设计、研发与制造，并推出了一系列节能可靠、高性价比的大功率碳化硅产品器件，可广泛运用于包括新能源汽车、光伏、储能、电源等各个领域。

目前，SMC在650V-1700V SiC MOSFET的研发与生产上均有所规划，并将于2024年下半年实现大批量量产。

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