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　　引言

　　为减缓气象变动的措施
，人类在非化石燃料、可再生能源解决规划方面获得了进展
，并且交通领域的电气化过程也在加快
。这些新兴技术险些都要求使用大功率
，对电源的要求越发刻薄
。例如
，电动汽车（EV）的电池包电压此刻动辄超过900 VDC
，容量高达95kWh
？斐/超充系统更甚
，功率轻松突破240kW
。氢燃料电池的电池堆是另一项在发展的汽车供电技术
，功率能超500kW
，电流达到了1000A
。

　　一方面
，我们必要脱节化石燃料
，另一方面
，全球能耗又在不休攀升
。服务器农场就是一个能源需要更高的例子
。为了有足够的可再生能源来支持运行
，服务器场正从互换配电转型为直流配电
，其工作电压达360VDC
，电流容量达2000A
。此表
，很多新兴技术直接把电压拉到1800 VDC的级别
。

　　01?市场需要下的挑战

　　?面对测试这些大功率产品的市场要求
，EA必要开发输出功率更大、输出电压更高、以及有助于减幼测试系统体积并降低能耗成本的电源
。

　　EA10000系列可编程直流电源需满足以下指标：

　　■比现有的可编程电源拥有更高的效能

　　■将直流输出电压提高到2000V

　　■提高功率密度以减幼体积

　　■降低每瓦成本

　　设计团队思考是使用基于硅（Si）的晶体管技术还是使用更新的碳化硅（SiC）功率晶体管
。使用现有的硅半导体技术
，当选取开关模式设计并且可能在40kHz下运行时
，电源设备的能效能够达到大93%
。若是电源设备使用一个5kW的功率？
，那么可实现的功率密度为9.2W/in3
。

　　02?基于硅晶体管的电源的局限性

　　?基于硅的MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）设计必要三个开关晶体管能力产生5kW的功率
。由于MOSFET的降额要求为30%
，一个5kW的功率？楸匦氪500VDC？槟芰Υ锏1500VDC
。三个5kW的功率？槟芄蛔槌梢桓15kW的仪器
。为了满足150kW的负载需要
，测试系统设计人员必要十个15kW的电源
。这些电源的数量能够填满一个42U高、19英寸的测试机架
。若是负载需要为450kW
，那么测试系统将必要三个测试机架
，占用18平方英尺的机架空间
。若是这些电源以大93%的效能运行
，那么测试系统将产生31.5kW的热量
，必要将其散发掉
。

　　而思考到实现新型电源所要达到的指标
，更是难题沉沉
，设计团队决定选取碳化硅功率晶体管
。下文介绍了碳化硅技术相比硅的代替规划的优势
。

　　03?碳化硅MOSFET的效能优于硅IGBT

　　?三相系统电源的先代产品使用硅绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
。IGBT可能支持1200V的电压并且提供大电流
。然而
，IGBT的导通和开关损耗很高
。相比之下
，碳化硅MOSFET这种高功率半导体的导通和开关损耗要低得多
。如图1所示
，当用作开关时
，碳化硅MOSFET的电压降比等效IGBT更低
。碳化硅MOSFET的导通电阻（RDS(on)）在低负载时比鼓和IGBT的pn结电阻更低
。因而
，碳化硅MOSFET的导通损耗比IGBT的导通损耗更低
。如图1右侧所示
，开关损耗的差距要显著得多
。硅IGBT的电容比碳化硅MOSFET更高
，并且IGBT必要更多功夫能力关断
。图1批注
，碳化硅MOSFET将开关能量损耗降低了10倍
。

　　图1.碳化硅MOSFET与硅IGBT之间的开关损耗和导通损耗比力

　　04?碳化硅晶体管的开关速杜着于硅晶体管

　　?由于碳化硅MOSFET的开关功夫更短
，因而这些晶体管能够以更快的开关速度运行
。图2显示
，碳化硅MOSFET的dv/dt速度险些是硅MOSFET的两倍
，无论是开启还是关断
。

　　图2.硅MOSFET（上图）与碳化硅MOSFET（下图）的开启和关断速度

　　05?碳化硅晶体管的靠得住性更高

　　?从靠得住性的角度来看
，碳化硅MOSFET的现实击穿电压高于其数据手册规格（见图3）
。碳化硅MOSFET的击穿裕度讲了然该元件对瞬态过压的鲁棒性
。在低温下
，碳化硅MOSFET拥有特定击穿电压
。IGBT造作商无法保障在低温下的击穿电压
。例如
，一个1200 V的IGBT无法在-30°C时耐受1200 V
。在该温度下必须对该设备进行降额
。

　　图3.碳化硅MOSFET的现实击穿电压与温度的关系
。该图暗示了来自三个分歧出产批次的15个组件的丈量了局
。

　　06?碳化硅晶体管空间占用更少

　　?碳化硅和硅功率半导体之间的另一个显著差距是芯片尺寸
。首先
，碳化硅芯片比等效功率的硅晶体管芯片更幼
。其次
，硅晶体管必要一个反向偏置二极管
，以允许在集电极和发射极之间进行双向电流流动
。碳化硅晶体管的源-漏通路能够在两个方向上导电
。此表
，碳化硅晶体管的寄生体二极管是晶体管结构的一部门
。因而
，硅晶体管所需的额表二极管对于碳化硅晶体管来说是不必要的
。以一个1200V的晶体管为例
，碳化硅晶体管芯单方面积约莫是硅晶体管芯单方面积的1/4
。因而
，碳化硅组件在功率电路中的布局能够阐发出更低的杂散电感
。总体而言
，更幼的碳化硅封装使得终产品可能实现更高的功率密度
。

　　07?EA10000系列电源实现的指标

　　?EA利用碳化硅技术开发了4U/30kW,6U/60kW的可编程电源
，输出电压可达2000V
。较之于基于硅晶体管的型号
，这些产品的利益在于：

　　■效能提高了3%

　　■功率密度提高了37%

　　■240W电源系统的占地面积削减了33

　　■240W电源系统的热量产生削减了42%

　　■每瓦成本降低了15-20%

　　利用碳化硅晶体管的更高开关速度
，EA10000系列开关模式互换-直流转换器的开关频率约为60kHz
。这比其他造作商的电源中开关频率约为30-40 kHz的直流-直流转换器快30%
。10000系列更高的开关频率使得磁性元件和放大器的尺寸都得以减幼
。磁性元件不仅在质量上缩幼了30%
，并且设计中少了一个电感元件
，节俭了贵重的空间并且削减了废热的产生
。