碳化硅(SiC)功率器件

在中高壓電力電子系統中

有天然的應用優勢

光伏，電動汽車，儲能充電等電力電子系統向更高電壓發展是目前行業中的趨勢。

相比于硅基高壓器件，碳化硅開關器件擁有更小的導通電阻和開關損耗。電力電子系統需要輔助電源部分用來驅動功率器件，為控制系統及散熱系統等提供電源。額定電壓1700V的SiC MOSFET為高壓輔助電源提供了設計更簡單，成本更低的解決方案。

對于母線電壓在400V及以下的電力電子系統中，輔助電源常見方案為單開關管反激拓撲。但在光伏、電動汽車、儲能充電等大功率或超大功率領域，母線電壓會更高。

當母線電壓在600-1000V的范圍時，如果采用雙管反激拓撲(圖1 a)，即采用兩顆800V規格MOSFET分壓，會使系統更復雜，也會增加BOM的成本。如果繼續采用單管反激(圖1 b)方案，開關管額定電壓至少在1500V以上才能滿足耐壓需求。不僅可選擇的硅基MOSFET很少，而且由于器件需要更厚的外延層耐壓，導通電阻也會變得很大。

碳化硅作為寬禁帶材料，可以在高耐壓的同時實現較小的導通電阻。因此，1700V SiC MOSFET特別適用于高母線電壓系統的輔助電源開關。

圖1 兩種反激電路的對比

瑞能最新推出的1700V SiC MOSFET(料號WNSC2M1K0170W)采用TO-247封裝，圖2曲線是在施加不同柵極驅動電壓下，通態電阻與器件溫度的關系，可以看到在25℃室溫狀態下施加18V驅動電壓的通態電阻典型值約為750mΩ。

圖2 通態電阻與器件溫度的關系

與市場上常見的1500V Si MOSFET相比，瑞能1700V SiC MOSFET的通態電阻(Rdson)有明顯優勢(見表1)。在高溫情況下，Si MOSFET的通態電阻快速上升，而瑞能SiC MOSFET的通態電阻隨溫度變化較小，在150℃高溫下還可以維持在較低水平，這也為一些環境溫度比較惡劣的應用帶來了使用上的優勢。

表1 SiC MOSFET vs Si MOSFET通態電阻

瑞能為此1700V SiC MOSFET器件提供了參考設計 (圖3)：輸入電壓范圍為200V-1000V, 輸出可以同時提供24V, 15V, -15V等多路負載，滿功率狀態下可達60W。控制方式為采用模擬IC控制器的準諧振反激變換模式。此控制方式在全功率范圍內實現了較高的效率水平，圖4所示為不同輸入電壓時該參考設計的效率數據，最高效率點接近90%。

圖3 WNSC2M1K0170W參考設計展示板

圖4 WNSC2M1K0170W

參考設計板效率數據

與上所述1500V Si MOSFET競品相比，WNSC2M1K0170W效率優勢明顯。在全功率范圍內，大概保持3%左右的效率優勢(圖5)。而工作狀態下，較低的損耗又同時大大降低了器件的運行溫度，提升了器件運行的長期可靠性。圖6為WNSC2M1K0170W和1500V Si MOSFET競品在滿載60W輸出下殼溫穩定后的情況。

圖5 60W輸出效率對比

WNSC2M1K0170W vs 1500V Si MOSFET

圖6 60W輸出殼溫

WNSC2M1K0170W vs 1500V Si MOSFET

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瑞能最新推出的1700V SiC MOSFET(料號：WNSC2M1K0170W)采用TO-247封裝，可以有效替代反激變換器中使用的Si MOSFET器件，達到簡化系統結構，減少BOM成本，提升效率和輸出功率的目的。

WNSC2M1K0170W參考設計板可以在200-1000V寬范圍輸入電壓內實現多路負載輸出共60W功率，并且最高效率點接近90%。

審核編輯：湯梓紅