半导体产业网推荐：工程师在设计 UPS 时必须非常小心，以确保企业数据中心 24/7 全天候平稳运行，同时他们也意识到，他们的电源注定会成为美国每年耗电达 90 TWh 的这类设施的一部分，而这一耗电量足以达到 30 座大型有害燃煤电厂年发电量。另一种设计思路的电力工程师正在努力确保他们的快速充电机能够快速为 EV 充电，他们也意识到电力成本及发电对环境的影响。
任何应用领域的工程师都必须考虑效率、功率密度和成本这些因素。即使还没有开展具体设计，他们也已经意识到碳化硅（SiC）技术也许是一种可行的解决方案。
本文解决了这些问题，并通过并行比较，证明了 SiC 是迄今为止在高功率应用中优于硅（Si）基器件的选择。该演示使用 UPS 和充电机系统的一个重要部分，即有源前端（AFE），以探讨在尺寸和功率密度、功率损耗和效率以及物料清单（BOM）成本方面的改进。
因此，本文旨在将对 SiC 好处的一般认识转化为更清晰的理解，为现有的低效率技术开辟一条道路，从而获得更好的基于 SiC 的设计体验。
#1 所面临的诸多挑战
AFE 设计中的挑战可以概括为工程师希望完成的一系列变更：
- 降低半导体器件的开关损耗和导通损耗
- 更小、更轻的散热系统
- 更小、更轻的无源器件（电容器和电感器）
- 上述所有变更都会降低运营成本和 BOM 成本
任何能够同时解决所有这些挑战的技术，可以实实在在地对产品竞争力和环境产生重大影响。
#2为何选用 SiC
SiC 使工程师能够凭借材料和由其形成的优异器件特性实现上文所列变更项目。
与传统的 Si 技术相比，SiC 器件的通态压降为 Si 的 1/2 - 1/3，从而降低了 SiC 开关的导通损耗。由于 SiC 器件是多数载流子，因此它们的电流斜率（di/dt）比 Si 器件要高得多。击穿场强为 Si 的 10 倍，使得相同封装的 SiC 器件能够承受更高的电压。
与 Si 的 1.5 W/cmK 相比，3.3 - 4.5 W/cmK 的导热系数更高，使 SiC 器件能够更快地传导热量，有助于降低系统中的散热要求。此外，SiC 芯片温度可以达到 250 - 300 °C（而 Si 可达到的温度为 125 °C），Wolfspeed 器件的结温在不影响可靠性的前提下可以达到 175 °C。这意味着这些器件可以在更高温度下运行，散热装置也更小。
与 Si 技术相比，Wolfspeed SiC 功率模块具有以下优势：
- 它们以应用为目标，提供各种电压和电流额定值、封装尺寸以及开关和导通优化的模块选择
- 与 IGBT 模块相比，它们的 RDS(ON) 更低
- 它们的开关速度更快
- 它们的开关损耗更低
#3 AFE 拓扑的应用优势
AFE 适用于几乎所有的并网转换器。图 1 显示了当今新兴市场的两种主要拓扑。双向转换 UPS 架构包括 AFE 或整流器、DC/DC 转换器和逆变器。在正常功率回路中，一个小电流进入 DC/DC 转换器，维持电池充电。大部分电能通过 DC 母线回路传输到逆变器，在那里为负载供电。
在电源故障时，AFE 停止开关，DC/DC 转换器将来自电池的电能传输到逆变器，为负载供电。一些应用可能还会使用电池来补偿不良负载或电网侧电能质量。
▲ 图 1：AFE 将两种应用（双向转换 UPS（左）和 EV 非车载快速充电机（右））接入电网，将 AC 输入整流为 DC
在非车载 DC 快速充电机中，AFE 将转换器连接到电网。它将电网电压整流为稳定的 DC 母线电压，然后用于给电池充电。非车载充电机拓扑更简单，AFE 直接与 DC-DC 转换器连接，可快速为 EV 充电。
在这两种应用中，AFE 都使用三个半桥功率模块 - 每相一个。
#4 定义问题和设计目标
基于 IGBT 的 AFE 的一个关键问题是它们体积大且效率低。它们具有很高的开关损耗，而且，由于它们也是重要的热源，工程师们可以选择使用大型散热系统，或者采取降低性能的办法，来降低产生的热量。但是，尽管需求略有不同，所有客户都希望购买高效系统，而不是加热器。
因此，AFE 设计目标可定义为：
- 通过控制输入电流的幅度来调节正常运行下的 DC 母线电压
- 通过提供非常低的 THD（< 5%）电流和非常高的功率因数，最大程度减少电能质量问题
- 最大程度降低 BOM 器件成本
- 缩小系统体积以实现更紧凑的系统
- 最大程度提升效率
考虑到这一点，AFE 系统的 IGBT 和 SiC 变体在设计上通过调节好的 DC 母线输出 200 kW 的高质量整流功率。
#5 IGBT 方案对比 SiC 方案
下文将简单介绍基于 IGBT 和 SiC 的系统，然后通过对器件尺寸和损耗的并列比较进行深入研究。
基于 Si 的高功率设计（例如 AFE 示例）通常使用 IGBT。图 2 显示了功率模块电路图及其物理散热要求。为了使用同类最佳器件，从目前主流的 IGBT 模块选择了一种模块，这些模块采用 EconoDUAL® 封装。该拓扑需要三个这样的功率模块 - 图中所示的每个红色框包括一个功率模块、一个散热器和两个风扇。
▲ 图 2：电路中的每个红色方框包括 EconoDUAL® 功率模块和如上所示的相关散热系统
可以优化该系统，以在需要 100 µH 电感器的情况下实现高达 8 kHz 的开关频率。对于 40 °C 的环境温度，IGBT 结温（Tj）达到 130 °C，单独的二极管芯片结温达到 140 °C。这需要一个大型散热器和每个模块两个风扇，即使在将开关频率限制为 8 kHz 也需如此。
▲ 图 3：SiC 基电路设计中的每个红框都使用更小的 XM3、更小的散热器和单个散热风扇
基于 SiC 的系统采用 Wolfspeed XM3 功率模块 CAB400M12XM3。该系统可以在更高的 25 kHz 频率下工作，并使用 30 µH 的电感器。对于相同的 40 °C 环境温度，MOSFET 结温达到 164 °C。Wolfspeed 模块所带来的高结点温度，可帮助减少热管理成本。同样，图 3 所示的每个红框都包含模块，其散热要求要低得多。
#6 功率模块比较
Wolfspeed 的 XM3 功率模块平台与同等额定值 62 mm 模块相比，体积减少 60%，面积减少 55%。与同等额定值的 EconoDUAL® IGBT 模块相比，其尺寸、体积和重量的减少明显更多。
