人們在減緩氣候變化方面的努力推進了非化石燃料、可再生能源解決方案以及交通運輸行業加速電氣化的進程。這些新技術要求使用大功率，因此也推動了電源行業的新發展。電動汽車 (EV) 的電池組電壓可超過 900 VDC，容量可達 95 kWh。快速 EV 充電系統的額定功率超過 240 kW。氫燃料電池的電芯堆疊是另一項在研的汽車供電技術，其容量可超過 500 kW，輸出電流可達 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。服務器場便是有著更高能源需求的應用例子之一。為了有足夠的可再生能源來支撐運行，服務器場正從交流配電轉型為直流配電，其工作電壓達 360 VDC，電流容量達 2000 A。此外，許多新興技術也在使用 1800 VDC 級別的電壓。

一、市場需求下的挑戰

面對測試這些大功率產品的市場要求，EA需要開發輸出功率更大、輸出電壓更高、以及有助于減小測試系統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：

1、效率優于現有可編程直流電源

2、更高的直流輸出電壓，達 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 設計團隊考慮過是使用基于硅 (Si) 的晶體管技術，還是使用更新的碳化硅 (SiC) 功率晶體管。如果使用現有的硅半導體技術，在采用工作頻率為 40 kHz 的開關模式設計時，電源設備的最高效率可達 93%。如果電源設備使用 5 kW 電源模塊，那么可實現的功率密度為 9.2 W/in3。

二、硅晶體管電源的限制

基于硅的 MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）設計需要三個開關晶體管，才能達到 5 kW。考慮到 MOSFET 的 30% 的降額需求，5 kW 電源模塊必須串聯三個 500 VDC 模塊，才能實現 1500 VDC。三個 5 kW 電源模塊才能組成一臺 15 kW 的設備。如要滿足 150 kW 的負載需求，測試系統設計師將需要十臺 15 kW 電源。這個電源數量需要占用高度達 42U 的 19 英寸測試機架。如果負載需求為 450 kW，測試系統將需要包含三臺測試機架，占用 18 平方英尺的機架空間。如果電源需要以 93% 的最高效率運行，測試系統將產生大量熱量 (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到的目標，更是困難重重，因此 EA 設計團隊決定采用碳化硅功率晶體管。下文介紹了碳化硅技術相對于其他方案的優勢。

三、碳化硅 MOSFET 的效率優于硅 IGBT

三相系統電源的先代產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 的傳導和開關損耗也較大。相比之下，碳化硅 MOSFET 大功率半導體的傳導和開關損耗則低得多。如圖 1 所示，當用作開關時，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 結電阻，在低負載條件下，尤其如此。因此，碳化硅 MOSFET 的傳導損耗低于 IGBT 的傳導損耗。開關損耗方面的差異（如圖 1 右側所示）則要大得多。硅 IGBT 的電容高于碳化硅 MOSFET，因此，IGBT 關斷所需的時間更長。圖 1 顯示，碳化硅 MOSFET 的開關能量損耗降低了 10 個系數。

圖 1. 碳化硅 MOSFET 與硅 IGBT 之間的開關和傳導損耗比較

四、碳化硅晶體管的開關，速度優于硅晶體管

由于碳化硅 MOSFET 所需的開關時間更短，因此這些晶體管能夠以更快的開關速度工作。圖 2 顯示，無論是導通操作，還是關斷操作，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

就可靠性而言，碳化硅 MOSFET 的擊穿電壓高于其數據表規格（見圖 3）。碳化硅 MOSFET 的擊穿裕度可顯示組件在面對瞬態過壓時的穩健性。在低溫下，碳化硅 MOSFET 具有特定擊穿電壓。IGBT 制造商則無法保證零下溫度條件下的擊穿電壓。例如，1200 V IGBT 無法在 -30 °C 時耐受 1200 V。在這個溫度下，必須對設備降額。

圖 3. 碳化硅 MOSFET 的實際擊穿電壓與溫度的關系。圖中顯示了對來自三個不同生產批次的組件（15 個一組）進行的測量。

六、碳化硅晶體管的空間占用更少

碳化硅功率半導體和硅功率半導體之間的一個更顯著的區別在于晶粒尺寸。首先，相比具有同等功率的硅晶體管晶粒，碳化硅晶粒更小。其次，硅晶體管需要使用反向偏壓二極管，才能實現集電極與發射極之間的雙向電流。碳化硅晶體管源-漏溝道可以在任一方向上傳導電流。此外，碳化硅晶體管的晶體管結構中包含寄生體二極管。因此，與硅晶體管不同，碳化硅晶體管不需要額外的二極管。以 1200 V 晶體管為例，碳化硅晶體管的晶粒面積約為硅晶體管晶粒面積的 ?。因此，布置在電源電路中的碳化硅組件所產生的雜散電感更小。總的來說，碳化硅封裝越小，成品的功率密度越大。

七、10000 系列新電源實現的宏大目標

EA 利用碳化硅技術開發了 30 kW 可編程電源，其搭配高度為 4U 的機箱，輸出電壓可達 2000 V。較之于基于硅晶體管的型號，這些產品的優點在于：

1、效率提升了 3%

2、功率密度提高了 37%

3、240 W 電源系統的空間占用減少了 33%

4、240 W 電源系統的發熱量減少了 42%

5、單位能耗成本降低了 15-20%

得益于碳化硅晶體管的更高開關速度，新推出的 10000 系列開關模式交流轉直流轉換器能夠以大約 60 kHz 的頻率工作。其他廠商電源的直流轉直流轉換器的開關頻率約為 30-40 kHz，相比之下，這些交流轉直流轉換器的速度提升了 30%。10000 系列的更高的開關頻率有助于縮減電磁組件和功率放大器的尺寸。不僅電磁組件的質量縮減了 30%，而且設計所需的感性組件也減少了一個，這就節省了寶貴的空間，減少了熱量生成。