在千伏級高壓反激輔助電源的應(yīng)用場景中，系統(tǒng)對其功率器件的耐壓等級提出了更高的要求。采用1700V/1Ω SiC MOSFET作為功率開關(guān)管，系統(tǒng)拓撲得以簡化成單管反激結(jié)構(gòu)，所需MOS元件數(shù)量減少，有效提高了系統(tǒng)的可靠性；SiC MOSFET的開關(guān)頻率更高，所需無源元件的體積更小，能夠提高系統(tǒng)的功率密度；系統(tǒng)中功率器件的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗都有顯著降低，系統(tǒng)效率獲得了優(yōu)化提升；器件損耗產(chǎn)生的熱量更少，進一步降低了系統(tǒng)熱管理成本。

圖1所示為三安半導(dǎo)體自主設(shè)計的1700V SiC MOSFET高壓輔助電源設(shè)計參考板，對應(yīng)參考板電路拓撲簡圖如圖2所示。該參考板主要由功率主板和可拆卸式功率子板構(gòu)成，可用于快速評估SiC MOSFET功率器件在光伏、儲能、車載、電驅(qū)等高壓應(yīng)用場合下的性能。
 

圖1 參考板實物圖

圖2 參考板拓撲簡圖

參考板所用SiC MOSFET器件為三安半導(dǎo)體的SMS1701000K，如圖3所示，封裝形式為TO-247-3L，該器件具有極低的反向恢復(fù)電荷Qrr以及Qgd電荷，在高頻開關(guān)動作下的速度更快、開關(guān)損耗更小，同時較小的RDS(on)也降低了器件的導(dǎo)通損耗，由此進一步提高了系統(tǒng)的工作效率。得益于器件更高的VDS耐壓，基于該SiC MOSFET器件所設(shè)計的系統(tǒng)將具備更寬的工作電壓范圍，滿足輔助電源的高壓輸入要求。

圖3 1700V/1Ω SiC MOSFET SMS1701000K

參考板采用準諧振控制的反激電路，直流輸入電壓覆蓋300V~1000V寬電壓范圍，直流輸出電壓24V，最大輸出功率65W，滿足常規(guī)高壓輔助電源的工況需求。圖4展示了參考板在直流輸入電壓分別為300V、600V和900V的條件下，不同輸出功率對應(yīng)的效率變化曲線。其中300V下最高效率達91.1%，600V下最高效率達89.9%，900V下最高效率達87.5%。圖5所示為滿載65W功率輸出時，不同直流輸入電壓對應(yīng)的系統(tǒng)效率變化情況，由圖可知，隨著輸入母線電壓的提升，系統(tǒng)的整體效率值呈現(xiàn)略微下降趨勢。

圖4 不同輸出功率對應(yīng)的效率曲線

圖5 不同輸入電壓對應(yīng)的滿載效率

如下圖6為高壓輔助電源系統(tǒng)在直流輸入300V，滿載輸出65W的工作波形，圖7為直流輸入1000V，滿載輸出65W的工作波形。其中Ch1（棕色）為SiC MOSFET的Vgs電壓，Ch2（淺藍色）為變壓器原邊電流，Ch3（紅色）為變壓器副邊電流，Ch4（綠色）為SiC MOSFET的Vds電壓，Ch5（橙色）為輔助繞組電壓，Ch6（深藍色）為整流二極管電壓。在300V到1000V輸入電壓段，SiC MOSFET均表現(xiàn)出優(yōu)異的開關(guān)特性，滿足高壓輔助電源的性能需求。

圖6 直流輸入300V，滿載輸出工作波形

圖7 直流輸入1000V，滿載輸出工作波形

參考板的功率子板采用鋁基板材，鋁基板良好的導(dǎo)熱性能能夠快速耗散SiC MOSFET和其它功率元器件產(chǎn)生的熱量，顯著降低對應(yīng)元器件的工作溫升。系統(tǒng)工作時采用自然冷卻方式而無需額外增設(shè)散熱器，進一步降低系統(tǒng)的熱管理成本。圖8所示為直流輸入900V時，滿載輸出65W對應(yīng)的器件溫度熱成像，環(huán)境溫度為22.4℃。圖9所示為在最高直流輸入1000V時，即使在滿載65W的輸出情況，同樣環(huán)溫下測得SiC功率器件溫度仍不高于92℃。

圖8 直流輸入900V，滿載65W時SiC器件溫度

圖9 直流輸入1000V，滿載65W時SiC器件溫度

三安半導(dǎo)體在SiC功率器件的技術(shù)革新上深耕研發(fā)，不斷迭代優(yōu)化器件性能，致力于提供滿足客戶各類需求的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。三安半導(dǎo)體SMS1701000K的優(yōu)異性能將助力高壓反激電源系統(tǒng)往高效化、小型化以及低成本方向快速迭代發(fā)展，推動光伏、儲能、車載、電驅(qū)等領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用碳化硅的技術(shù)轉(zhuǎn)型。