前 言

在有源電力濾波器（APF）系統(tǒng)中，功率器件的選擇直接影響整機的濾波性能、效率與可靠性。隨著電網(wǎng)電能質(zhì)量要求日益提高，APF需要具備更高的開關(guān)頻率、更低的損耗以及更強的過載能力。碳化硅功率器件以其優(yōu)異的高頻、高溫特性，正成為提升APF性能的關(guān)鍵技術(shù)路徑。

本文將系統(tǒng)介紹基本半導體碳化硅產(chǎn)品及配套驅(qū)動解決方案在APF中的應(yīng)用，通過仿真數(shù)據(jù)與產(chǎn)品分析，展示其在提升效率、功率密度和運行可靠性方面的顯著優(yōu)勢。

01碳化硅MOSFET和集成電路在APF應(yīng)用中的選型

在APF這類需要快速動態(tài)響應(yīng)、高頻開關(guān)的應(yīng)用中，碳化硅MOSFET的低開關(guān)損耗、高開關(guān)頻率特性顯得尤為重要。基本半導體提供從分立器件到模塊的全系列碳化硅MOSFET產(chǎn)品，并搭配自主研發(fā)的隔離驅(qū)動與電源芯片，為APF系統(tǒng)提供高性能、高可靠的整體解決方案。

02E2B半橋模塊BMF240R12E2G3和單管B3M013C120Z在APF應(yīng)用中的仿真數(shù)據(jù)

1) 模塊BMF240R12E2G3介紹

2) 單管B3M011C120Z介紹

3) 仿真情況

仿真條件

APF拓撲：兩電平全橋

散熱器溫度：在80℃、90℃下仿真

母線電壓800Vdc，輸出電壓400Vac

評估其在輸出相電流150A時的總損耗和最高芯片結(jié)溫

APF仿真拓撲

紅框為溫度和損耗監(jiān)控碳化硅MOSFET位置，其他碳化硅MOSFET完全對稱，數(shù)據(jù)不做展示

E2B半橋模塊 BMF240R12E2G3單機用3只

單管 B3M011C120Z單機用12只APF感性無功仿真數(shù)據(jù)

模塊BMF240R12E2G3 仿真方案

輸出無功功率=150A*400V*3*1=180kVar

等效效率（%）=輸出無功功率/（輸出無功功率+器件總損耗功率）=180kVar/180kVar+(0.167*6)kW=99.45%

b. 單管B3M011C120Z兩并 仿真方案

輸出無功功率=150A*400V*3*1=180kVar

等效效率（%）=輸出無功功率/（輸出無功功率+器件總損耗功率）=180kVar/180kVar+(0.07485*12)kW=99.50%

c. E2B半橋模塊 BMF240R12E2G3 TH=90℃ Iout=150Arms工況仿真波形

d. 單管B3M011C120Z TH=90℃ Iout=150Arms工況仿真波形

仿真結(jié)果表明，即使在80℃、90℃高溫的嚴苛條件下，BMF240R12E2G3模塊和B3M011C120Z單管兩種方案均能保持合理的結(jié)溫與損耗水平，充分驗證了其在高頻、高負載APF應(yīng)用中的優(yōu)異性能與可靠性。

APF系統(tǒng)開發(fā)商可根據(jù)系統(tǒng)成本、裝聯(lián)方式、散熱條件自行選擇模塊或者單管解決方案。

03碳化硅MOSFET產(chǎn)品系列

基本半導體碳化硅MOSFET系列產(chǎn)品基于高性能晶圓平臺開發(fā)，在比導通電阻、開關(guān)損耗及可靠性等方面表現(xiàn)卓越。產(chǎn)品涵蓋工業(yè)模塊與分立器件，封裝形式多樣，可滿足不同功率等級和拓撲結(jié)構(gòu)的APF設(shè)計需求。

1) 工業(yè)級碳化硅MOSFET功率模塊

2) 不同陶瓷覆銅板的性能對比

模塊的可靠性很大程度上取決于基板材料。以下是常用陶瓷覆銅板（DCB）的性能比較：

AI2O3——導熱率最低，DCB的成本也最低

AlN——導熱性最好，但抗彎強度差，而且厚度應(yīng)稍高一些（典型厚度630um）

Si3N4——導熱性比AlN差，但抗彎強度要好得多，因此厚度可以更低（典型厚度360um）

經(jīng)過10次溫度沖擊后，AI2O3/AlN在垂直面上剝落，而Si3N4則在1000次溫度沖擊試驗后保持了良好的接合強度，所以Si3N4非常適合碳化硅MOSFET模塊

3) Pcore2 E2B系列碳化硅MOSFET模塊

產(chǎn)品亮點

低導通電阻，高溫RDS(on)表現(xiàn)優(yōu)異

內(nèi)部集成碳化硅SBD，管壓降低且基本沒有反向恢復(fù)行為

低開關(guān)損耗，開關(guān)損耗隨溫度上升反而下降

高閾值電壓，降低誤導通風險

高性能Si3N4AMB和高溫焊料引入，提高產(chǎn)品可靠性

支持Press-Fit壓接和Soldering焊接工藝

集成NTC溫度傳感器

應(yīng)用領(lǐng)域

大功率快速充電樁

150A有源濾波器APF

125kW工商業(yè)儲能PCS

高端工業(yè)電焊機

高頻DCDC變換器

電機驅(qū)動控制

產(chǎn)品列表

4) 碳化硅MOSFET模塊內(nèi)部內(nèi)置碳化硅SBD優(yōu)勢

內(nèi)置SBD實現(xiàn)了更高的可靠性，降低RDS(on)實驗前后的變化：

在普通碳化硅MOSFET 中，體二極管導通運行1000小時后導通內(nèi)阻RDS(on)波動高達42%，而本產(chǎn)品的RDS(on)變化率在3%以內(nèi)

5) BMF240R12E2G3的開通損耗Eon隨溫度升高而降低

從以下各品牌曲線圖得出，碳化硅MOSFET的Eon的數(shù)值遠大于Eoff，Eon占總損耗Etotal的60~80%左右

FF6MR12W2M1H_B70 (I***)和CAB006M12GM3(W***)的Eon顯示正溫度特性，隨著溫度上升Eon變大

BMF240R12E2G3的Eon呈現(xiàn)負溫度特性，隨著溫度上升Eon變小，這使得高溫時開關(guān)損耗會下降，而Eon的權(quán)重很高，所以高溫重載時，整機效率就顯得很出色，尤其在硬開關(guān)的拓撲中，這個特征在PCS應(yīng)用中很有價值

6) 碳化硅MOSFET分立器件

04

使用碳化硅MOSFET

的驅(qū)動板整體解決方案

基本半導體提供碳化硅MOSFET驅(qū)動板及其零件

結(jié) 語

碳化硅功率器件憑借其高頻、高效、高溫特性，為有源電力濾波器（APF）的性能提升提供了強勁支持。基本半導體憑借在碳化硅技術(shù)領(lǐng)域的深厚積累，提供從功率模塊、分立器件到驅(qū)動電源芯片的完整解決方案。仿真與實測表明，其產(chǎn)品在高溫、過載等嚴苛條件下表現(xiàn)優(yōu)異，能有效提升APF系統(tǒng)的可靠性、效率與功率密度。

隨著碳化硅成本的持續(xù)優(yōu)化與產(chǎn)業(yè)鏈的完善，其在電能質(zhì)量治理領(lǐng)域的應(yīng)用將不斷深化。基本半導體將持續(xù)投入創(chuàng)新，致力于為客戶提供高性能、高可靠的碳化硅產(chǎn)品，共同推動綠色電網(wǎng)與智能電能管理技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)于基本半導體

深圳基本半導體股份有限公司是中國第三代半導體創(chuàng)新企業(yè)，專業(yè)從事碳化硅功率器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。公司總部位于深圳，在北京、上海、無錫、香港以及日本名古屋設(shè)有研發(fā)中心和制造基地。公司擁有一支國際化的研發(fā)團隊，核心團隊由來自清華大學、中國科學院、英國劍橋大學等國內(nèi)外知名高校及研究機構(gòu)的博士組成。

基本半導體掌握碳化硅核心技術(shù)，研發(fā)覆蓋碳化硅功率半導體的芯片設(shè)計、晶圓制造、封裝測試、驅(qū)動應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)，核心產(chǎn)品包括碳化硅二極管和MOSFET芯片、汽車級及工業(yè)級碳化硅功率模塊、功率器件驅(qū)動芯片等，性能達到國際先進水平，服務(wù)于電動汽車、風光儲能、軌道交通、工業(yè)控制、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的全球數(shù)百家客戶。

基本半導體是國家級專精特新“小巨人”企業(yè)，承擔了國家工信部、科技部及廣東省、深圳市的眾多研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目，與深圳清華大學研究院共建第三代半導體材料與器件研發(fā)中心，是國家5G中高頻器件創(chuàng)新中心股東單位之一，獲批中國科協(xié)產(chǎn)學研融合技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)體系第三代半導體協(xié)同創(chuàng)新中心、廣東省第三代半導體碳化硅功率器件工程技術(shù)研究中心。