【導讀】隨著我們尋求更強大、更小型的電源解決方案
，碳化矽 (SiC) 等寬禁帶 (WBG) 材料變得越來越流行，特別是在一些具有挑戰性的應用領域，如汽車驅動係統
、直流快速充電、儲能電站、不間斷電源和太陽能發電。

這些應用有一點非常相似
，它們都需要逆變器（圖 1）。它ta們men還hai需xu要yao緊jin湊cou且qie高gao能neng效xiao的de輕qing量liang級ji解jie決jue方fang案an。就jiu汽qi車che而er言yan，輕qing量liang化hua是shi為wei了le增zeng加jia續xu航hang裏li程cheng
，而er在zai太tai陽yang能neng應ying用yong中zhong，這zhe是shi為wei了le限xian製zhi太tai陽yang能neng設she備bei在zai屋wu頂ding上shang的de重zhong量liang。

圖 1.典型的 EV 動力總成
，其中顯示了逆變器

半導體損耗

決定逆變器效率的主要因素之一是所使用的半導體器件（IGBT / MOSFET）。這些器件表現出兩種主要類型的損耗：導通損耗和開關損耗。導通損耗與開通狀態下的導通電阻 (RDS(ON)) 成 正比，計算方法為漏極電流 (ID) 與漏源電壓 (VDS) 的乘積。

將 SiC MOSFET 的 VDS 特性與類似 Si IGBT 的特性進行比較，可以觀察到，對於給定電 流
，SiC 器件的 VDS 通常較低。還值得注意的是，與 IGBT 不同，SiC MOSFET 中的 VDS 與 ID成正比，這意味著它在低電流下的導通損耗會顯著降低。這在高功率應用（例如汽車和太陽能）中非常重要
，因為它意味著在這些應用中
，逆變器在其工作生命周期的大部分時間處於小功率工 況
，效率會有顯著提高
，損耗更低。

圖 2.Si IGBT 和 SiC MOSFET 的 VDS 比較

驅動損耗與開關器件所需的柵極電荷 (Qg) 成正比。這是每個開關周期都需要的，使其與開關頻率成正比，並且 Si MOSFET 比 SiC 器件更大。設計人員熱衷於提高開關頻率以減小磁性元件的尺寸

、重量和成本
，這意味著使用 SiC 器件會帶來顯著優勢。

熱管理影響

電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)所(suo)有(you)損(sun)耗(hao)都(dou)會(hui)變(bian)成(cheng)熱(re)量(liang)，這(zhe)會(hui)影(ying)響(xiang)元(yuan)件(jian)密(mi)度(du)，從(cong)而(er)增(zeng)加(jia)終(zhong)端(duan)應(ying)用(yong)的(de)尺(chi)寸(cun)。發(fa)熱(re)組(zu)件(jian)不(bu)僅(jin)會(hui)升(sheng)高(gao)其(qi)自(zi)身(shen)的(de)內(nei)部(bu)溫(wen)度(du)

，還(hai)會(hui)升(sheng)高(gao)整(zheng)個(ge)應(ying)用(yong)的(de)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)。為(wei)確(que)保(bao)溫(wen)升(sheng)不(bu)會(hui)限(xian)製(zhi)運(yun)行(xing)甚(shen)至(zhi)導(dao)致(zhi)組(zu)件(jian)故(gu)障(zhang)，需(xu)要(yao)在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)進(jin)行(xing)熱(re)管(guan)理(li)。

SiC MOSFET nenggouzaibiguiqijiangenggaodepinlvhewenduxiayunxing。youyutamenkeyichengshougenggaodegongzuowendu
，yincijianshaoleduireguanlidexuqiu

，keyiyunxuqijianbenshenchanshenggengdadereliang。zheyiweizhe，jiangjiyuguideshejiyudengxiaodejiyu SiC 的設計進行比較時
，熱管理要求要低得多，因為 SiC 係統產生的損耗更低，並且可以在更高的溫度下運行。

通過比較，一個典型的 SiC 二極管在 80kHz 下工作時，損耗比同等矽二極管低 73%。因此， 在太陽能應用和電動汽車的大功率逆變器中，SiC 器件的效率優勢將對降低電力係統的熱管理需 求產生非常顯著的影響，可能降低 80% 或更多。

基於SiC的電源係統的總成本

盡管 SiC 器件投入實際使用已經有一段時間了，但人們認為基於 SiC 的設計最終成本將高於矽基設計，因而在某些方麵減緩了 SiC 器件的采用速度。然而，若是直接比較矽基器件和SiC 器件的相對成本，而不考慮每種技術對整體係統成本的影響
，可能會使設計人員得出錯誤的結論。

如果我們考慮 30 kW 左右的矽基電源解決方案，用於開關的半導體器件加起來約占物料清單成本的10%。主要的無源元件（電感器和電容器）占剩餘成本的大部分，分別為 60% 和 30%。

雖然 SiC 器件的單位成本確實高於等效的矽基器件
，但 SiC 器件的性能降低了對電感器和電容器的要求
，顯著降低了係統的尺寸、重量和成本。僅此一項就可以將 SiC 的物料清單的總成本低於同等矽基解決方案。然而，正如我們所見，基於 SiC 的解決方案中的熱管理成本也明顯更低。因此，加上這種成本節約意味著 SiC 設計更高效
、更小、更輕，而且一定程度上成本更低。

安森美 (onsemi) 最新的 1200 V 和 900 V N 溝道 EliteSiC MOSFETjuyoudifanxianghuifudianhedetierjiguan，keyixianzhujiangdisunhao，jishizaigenggaodepinlvxiacaozuoyeshiruci。xinpianchicunxiaoyouzhuyugaopincaozuo

，jianshaozhajidianhe
，jianxiaomile (Crss) 和輸出 (Coss) 寄生電容，從而減少開關損耗。

這些新器件的 ID 額定電流高達 118 A
，可提高整體係統效率並改善EMI
，同時允許設計人員使用更少（和更小）的無源元件。如果需要處理更高電流
，這些器件可以配置為並聯工作，因為它們具有正溫度係數而不受溫度影響。

主要有兩種熱管理方法：主動或被動。被動方法使用散熱片或其他類似器件（例如熱管）將(jiang)多(duo)餘(yu)的(de)熱(re)量(liang)從(cong)發(fa)熱(re)器(qi)件(jian)轉(zhuan)移(yi)到(dao)外(wai)殼(ke)，進(jin)而(er)消(xiao)散(san)到(dao)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)中(zhong)。散(san)熱(re)片(pian)的(de)散(san)熱(re)能(neng)力(li)隨(sui)著(zhe)尺(chi)寸(cun)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)加(jia)，散(san)熱(re)能(neng)力(li)與(yu)可(ke)用(yong)的(de)表(biao)麵(mian)積(ji)成(cheng)正(zheng)比(bi)
，為(wei)了(le)在(zai)最(zui)小(xiao)的(de)體(ti)積(ji)中(zhong)實(shi)現(xian)最(zui)大(da)的(de)表(biao)麵(mian)積(ji)
，這(zhe)通(tong)常(chang)會(hui)引(yin)入(ru)複(fu)雜(za)的(de)設(she)計(ji)。

主(zhu)動(dong)散(san)熱(re)通(tong)常(chang)涉(she)及(ji)某(mou)種(zhong)形(xing)式(shi)的(de)降(jiang)溫(wen)裝(zhuang)置(zhi)，例(li)如(ru)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)風(feng)扇(shan)或(huo)冷(leng)卻(que)液(ye)。由(you)於(yu)它(ta)們(men)會(hui)產(chan)生(sheng)強(qiang)製(zhi)氣(qi)流(liu)，因(yin)此(ci)它(ta)們(men)可(ke)以(yi)在(zai)受(shou)限(xian)空(kong)間(jian)內(nei)提(ti)供(gong)更(geng)多(duo)散(san)熱(re)。然(ran)而(er)
，也(ye)有(you)一(yi)些(xie)明(ming)顯(xian)的(de)缺(que)點(dian)，包(bao)括(kuo)風(feng)扇(shan)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)需(xu)要(yao)在(zai)逆(ni)變(bian)器(qi)外(wai)殼(ke)上(shang)開(kai)孔(kong)以(yi)允(yun)許(xu)氣(qi)流(liu)流(liu)通(tong)（這也可能導致灰塵或液體進入）。此外
，風扇需要額外的電能才能運行
，這會影響整體係統的效率。

總結

電源設計人員麵臨著提供更高效、更可靠和體積更小的解決方案的挑戰，他們正在尋求 SiC 等新技術來幫助他們應對這些挑戰並降低總成本。

基於 SiC 的de開kai關guan器qi件jian使shi設she計ji人ren員yuan能neng夠gou讓rang係xi統tong在zai更geng高gao的de溫wen度du和he頻pin率lv下xia以yi更geng低di的de損sun耗hao運yun行xing，這zhe是shi應ying對dui這zhe些xie挑tiao戰zhan的de關guan鍵jian。此ci外wai
，這zhe些xie電dian氣qi性xing能neng優you勢shi意yi味wei著zhe無wu源yuan器qi件jian的de熱re管guan理li要yao求qiu和he元yuan件jian值zhi的de顯xian著zhu降jiang低di
，從cong而er進jin一yi步bu降jiang低di成cheng本ben和he尺chi寸cun/重量。因此
，SiC 方案能夠以更小的尺寸和更低的成本實現更高的性能水平。

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