針對任何應用領域的工程師都加入了他們對效率、功率密度和成本的擔憂。而且，即使他們還沒有用它進行設計，他們也意識到解決方案可能在于碳化硅（SiC）技術。

本文解決了這些問題，并通過并排比較，證明碳化硅（SiC）是迄今為止高功率應用中比硅（Si）基器件更好的選擇。該演示使用UPS和充電器系統的重要組成部分，即有源前端（AFE），以探索尺寸和功率密度，功率損耗和效率以及物料清單（BOM）成本的改進。

因此，本文旨在將SiC優勢的一般認識轉化為更清晰的理解，通過根深蒂固的低效率技術為基于SiC的設計體驗掃清道路。

廣泛的挑戰

AFE設計中的挑戰可以廣泛地表示為工程師想要的更改的愿望清單：

降低半導體器件中的開關和傳導損耗

更小、更輕的冷卻系統

更小、更輕的無源器件—電容器和電感器

所有這些都降低了運營成本和BOM成本

任何同時解決所有這些挑戰的技術確實都會對產品競爭力和環境產生重大影響。

為什么選擇碳化硅？

碳化硅使工程師能夠根據材料和由此產生的器件特性檢查上面列表中的項目。

與傳統的Si技術相比，SiC器件的導通電壓降比Si低2-3倍，從而降低了SiC開關中的傳導損耗。由于SiC器件是大多數載波，因此它們提供比Si更高的邊沿速率（di/dt）。其擊穿場比Si高10倍，使SiC器件能夠在同一封裝中承受更高的電壓。

與Si的1.5 W/cmK相比，3.3-4.5 W/cmK的導熱系數更高，使SiC器件能夠更快地傳導熱量，有助于降低系統中的冷卻要求。此外，SiC芯片溫度可以達到250-300°C（而Si為125°C），Wolfspeed器件中的結溫可以高達175°C，然后才能影響可靠性。這意味著設備可以運行得更熱，并且冷卻裝置更小。

與硅版本相比，沃氏的碳化硅功率模塊具有以下優勢：

它們以應用為目標，提供具有各種電壓和電流額定值、外形尺寸的模塊選擇，以及開關和傳導優化

與IGBT模塊相比，它們具有更低的RDS（ON）

它們提供更快的開關速度

它們具有較低的開關損耗

AFE拓撲的應用優勢:

AFE適用于幾乎所有并網轉換器。圖顯示了當今新興市場中兩種突出的拓撲結構。雙轉換UPS架構包括一個AFE或整流器、一個DC/DC轉換器和一個逆變器。在正常功率流中，一小電流進入DC/DC轉換器，以保持電池充電。大部分電力通過直流鏈路發送到逆變器，在那里它為負載供電。

在電源故障下，AFE停止開關，DC/DC轉換器將電源從電池發送到逆變器以饋送負載。一些應用可能還使用電池來補償較差的負載或電網側電源質量。

在板外直流快速充電器中，AFE將轉換器連接到電網。它將電網電壓整流為穩定的直流母線電壓，然后可用于為電池充電。板外充電器拓撲結構更簡單，AFE直接與DC-DC轉換器連接，可快速為EV充電。

更小、更輕的冷卻系統

SiC技術允許的高MOSFET結溫以及XM3的低損耗對冷卻要求有直接影響。

每個模塊的損耗為1.11 kW，每個EconoDUAL都需要安裝在一個大散熱器上，每個散熱器上各有一個推桿和拉風扇，以實現足夠的氣流，從而提高冷卻效率。冷卻系統容積為6.4 L/模塊。

鑒于損耗降低了40%，XM3需要一個更小的散熱器和一個風扇來實現相同的結果（40°C）。冷卻系統容積僅為3.7 L。

冷卻系統體積減少42%的同時，還有另一個優勢—AFE系統散熱解決方案成本降低70%。

對被動因素的影響

通過將開關頻率從8 kHz提高到25 kHz提高三倍，基于SiC的AFE需要更小的無源器件

如前所述，所需的電感也可以降低三倍，從IGBT設計的100μH降低到30μH。由此產生的物理尺寸減少約37%。此外，電感器中的I2R損耗也降低了近20%。

對于AFE示例所需的功率水平，XM3設計中磁性元件（包括磁芯和銅繞組）的成本比基于IGBT的AFE低75%。

由于開關頻率增加，對所需直流鏈路電容的影響是相似的。對于IGBT變體，需要1800μF，而基于SiC MOSFET的設計只需要550μF電容。圖6中的并排比較表明所需電容的體積減少了54%。

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