人們?cè)跍p緩氣候變化方面的努力推進(jìn)了非化石燃料、可再生能源解決方案以及交通運(yùn)輸行業(yè)加速電氣化的進(jìn)程。這些新技術(shù)要求使用大功率，因此也推動(dòng)了電源行業(yè)的新發(fā)展。電動(dòng)汽車 (EV) 的電池組電壓可超過(guò) 900 VDC，容量可達(dá) 95 kWh。快速 EV 充電系統(tǒng)的額定功率超過(guò) 240 kW。氫燃料電池的電芯堆疊是另一項(xiàng)在研的汽車供電技術(shù)，其容量可超過(guò) 500 kW，輸出電流可達(dá) 1000 A。
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(wù)器場(chǎng)便是有著更高能源需求的應(yīng)用例子之一。為了有足夠的可再生能源來(lái)支撐運(yùn)行，服務(wù)器場(chǎng)正從交流配電轉(zhuǎn)型為直流配電，其工作電壓達(dá) 360 VDC，電流容量達(dá) 2000 A。此外，許多新興技術(shù)也在使用 1800 VDC 級(jí)別的電壓。
一、市場(chǎng)需求下的挑戰(zhàn)
面對(duì)測(cè)試這些大功率產(chǎn)品的市場(chǎng)要求，EA需要開(kāi)發(fā)輸出功率更大、輸出電壓更高、以及有助于減小測(cè)試系統(tǒng)體積并降低能耗成本的電源。因此，EA新推出的10000系列可編程直流電源需要滿足以下目標(biāo)：
1、效率優(yōu)于現(xiàn)有可編程直流電源
2、更高的直流輸出電壓，達(dá) 2000 V
3、更高的功率密度，更小的體積
4、更低的單位能耗成本
EA 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)考慮過(guò)是使用基于硅 (Si) 的晶體管技術(shù)，還是使用更新的碳化硅 (SiC) 功率晶體管。如果使用現(xiàn)有的硅半導(dǎo)體技術(shù)，在采用工作頻率為 40 kHz 的開(kāi)關(guān)模式設(shè)計(jì)時(shí)，電源設(shè)備的最高效率可達(dá) 93%。如果電源設(shè)備使用 5 kW 電源模塊，那么可實(shí)現(xiàn)的功率密度為 9.2 W/in3。
二、硅晶體管電源的限制
基于硅的 MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）設(shè)計(jì)需要三個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管，才能達(dá)到 5 kW?？紤]到 MOSFET 的 30% 的降額需求，5 kW 電源模塊必須串聯(lián)三個(gè) 500 VDC 模塊，才能實(shí)現(xiàn) 1500 VDC。三個(gè) 5 kW 電源模塊才能組成一臺(tái) 15 kW 的設(shè)備。如要滿足 150 kW 的負(fù)載需求，測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將需要十臺(tái) 15 kW 電源。這個(gè)電源數(shù)量需要占用高度達(dá) 42U 的 19 英寸測(cè)試機(jī)架。如果負(fù)載需求為 450 kW，測(cè)試系統(tǒng)將需要包含三臺(tái)測(cè)試機(jī)架，占用 18 平方英尺的機(jī)架空間。如果電源需要以 93% 的最高效率運(yùn)行，測(cè)試系統(tǒng)將產(chǎn)生大量熱量 (31.5 kW)，而這些熱量是需要被去除的。
而考慮到新電源系列所要達(dá)到的目標(biāo)，更是困難重重，因此 EA 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)決定采用碳化硅功率晶體管。下文介紹了碳化硅技術(shù)相對(duì)于其他方案的優(yōu)勢(shì)。
三、碳化硅 MOSFET 的效率優(yōu)于硅 IGBT
三相系統(tǒng)電源的先代產(chǎn)品采用硅絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。IGBT 能夠支持 1200 V，并提供大電流。但 IGBT 的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗也較大。相比之下，碳化硅 MOSFET 大功率半導(dǎo)體的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗則低得多。如圖 1 所示，當(dāng)用作開(kāi)關(guān)時(shí)，碳化硅 MOSFET 的壓降低于等效 IGBT 的壓降。飽和碳化硅 MOSFET 的溝道電阻 RDS（通）低于飽和 IGBT 的 PN 結(jié)電阻，在低負(fù)載條件下，尤其如此。因此，碳化硅 MOSFET 的傳導(dǎo)損耗低于 IGBT 的傳導(dǎo)損耗。開(kāi)關(guān)損耗方面的差異（如圖 1 右側(cè)所示）則要大得多。硅 IGBT 的電容高于碳化硅 MOSFET，因此，IGBT 關(guān)斷所需的時(shí)間更長(zhǎng)。圖 1 顯示，碳化硅 MOSFET 的開(kāi)關(guān)能量損耗降低了 10 個(gè)系數(shù)。
圖 1. 碳化硅 MOSFET 與硅 IGBT 之間的開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗比較
四、碳化硅晶體管的開(kāi)關(guān)，速度優(yōu)于硅晶體管
由于碳化硅 MOSFET 所需的開(kāi)關(guān)時(shí)間更短，因此這些晶體管能夠以更快的開(kāi)關(guān)速度工作。圖 2 顯示，無(wú)論是導(dǎo)通操作，還是關(guān)斷操作，碳化硅 MOSFET 的電壓變化率 (dv/dt) 都幾乎是硅 MOSFET 電壓變化率的兩倍。
圖 2. 硅 MOSFET（上方的圖）與碳化硅 MOSFET（下方的圖）的通斷電壓變化率比較
五、碳化硅晶體管的可靠性更高
