应用笔记 | 基本半导体碳化硅功率器件在125kW工商业储能PCS中的应用

工商业储能系统PCS的拓扑结构设计至关重要，我们列举几个较为典型的方案。

1、T型三电平拓扑--IGBT

2、T型三电平拓扑--混合器件

3、I型三电平拓扑--IGBT

4、半桥两电平拓扑-- 碳化硅MOSFET

温度和损耗监控U相，V相，W相中其中一桥臂的碳化硅MOSFET，此次仿真监控蓝色框内的碳化硅MOSFET。

仿真65℃/70℃/80℃散热器温度下，PCS拓扑中E2B模块1倍负载(125kW)碳化硅 MOSFET的损耗和结温情况：在相同的开关频率下，随着散热器的温度升高，碳化硅 MOSFET的开关损耗反而在下降，一定程度上抵消了导通损耗的增加，高温条件下的出流能力更强，这是基本半导体碳化硅模块BMF240R12E2G3本身固有的优秀特性带来的结果。

不同工况下的结温、损耗对比：仿真65℃/70℃/80℃散热器温度下，PCS拓扑中E2B模块1.2倍负载(150kW)碳化硅MOSFET的损耗和结温如下表格所示。

不同工况下的结温、损耗对比：仿真65℃/70℃/80℃散热器温度下，PCS拓扑中Pcore^TM2 E2B模块1.2倍负载(150kW)碳化硅MOSFET的损耗和结温。

产品亮点

• 低导通电阻，高温R_DS(on)表现优异
• 内部集成碳化硅SBD,管压降低且基本没有反向恢复行为
• 低开关损耗，开关损耗随温度上升反而下降
• 高阈值电压，降低误导通风险
• 高性能Si₃N₄ AMB和高温焊料引入，提高产品可靠性
• 支持Press-Fit压接和Soldering焊接工艺
• 集成NTC温度传感器

应用领域

• 大功率快速充电桩
• 150A APF
• 125kW PCS
• 高端工业电焊机
• 高频DCDC变换器
• 电机驱动控制

在碳化硅MOSFET的元胞中嵌入碳化硅SBD元胞，可以显著提升碳化硅MOSFET的性能。与MOSFET配合换流的是碳化硅SBD而不是MOSFET的体二极管，比起碳化硅MOSFET的体二极管换流，Eon会有优势。

可实现MOSFET的源极到漏极更低的VSD，比普通碳化硅 MOSFET的VSD要明显低。当电网电压异常波动时，PCS系统将有可能停止工作，碳化硅MOSFET门极封波，同时电网侧的断路器将断开，切断PCS系统和电网的连接，在断路器完全切断之前的时间内，电网通过体二极管对PCS进行不控整流，整流电流I_SD从电网侧涌进PCS的直流母线，这种工况需要靠碳化硅MOSFET的反并联二极管硬扛浪涌电流。由于BMF240R12E2G3的SD间二极管有更低的VSD，这将大大降低导通损耗，从而提高碳化硅MOSFET的对电网浪涌电流的抵御能力。

从以下各品牌曲线图得出，碳化硅MOSFET的Eon的数值远大于Eoff，Eon占总损耗Etotal的60%~80%左右。

其他同行品牌I***和W***的Eon显正温度特性，随着温度上升Eon变大。

BMF240R12E2G3的Eon呈现负温度特性，随着温度上升Eon变小，这使得高温时开关损耗会下降，而Eon的权重很高，所以高温重载时，整机效率就显得很出色，尤其在硬开关的拓扑中，这个特征在PCS应用中很有价值。

b. 漏电I_GSS 和开启电压V_GS(th) 参数

c. R_DS(ON) 参数

d. 体二极管V_SD (Forward Voltage of Body-Diode) 和栅极电阻R_G(int）

b. 双脉冲测试平台

BMF240R12E2G3在高温(T_j=125℃)时的Eon相比常温(T_j=25℃)时的Eon显著下降，这是BMF240R12E2G3最优秀的一项动态特性。

基本半导体BMF240R12E2G3的体二极管的反向恢复电流变化率di/dt，在高温（T_j=125℃）时的数值相比常温（T_j=25℃）时的数量大幅度下降。

测试条件: V_DC=800V; I_D=400A; Rgon=Rgoff=3.3Ω,Vgs(op)=-3V/+18V; T_j=125℃

测试条件: V_DC=800V; I_D=400A; Rgon=Rgoff=3.3Ω,Vgs(op)=-3V/+18V; T_j=125℃

测试条件: V_DC=800V; I_D=400A; Rgon=Rgoff=3.3Ω,Vgs(op)=-3V/+18V; T_j=125℃

基本半导体化硅MOSFET系列产品基于高性能晶圆平台进行开发，在比导通电阻、品质系数因子FOM、开关损耗以及可靠性等方面表现更为出色。同时，碳化硅 MOSFET系列产品的封装更为丰富，以更好满足客户需求。

基本半导体碳化硅MOSFET分立器件产品型谱

为了充分发挥碳化硅MOSFET的性能，基本半导体提供完整的驱动板解决方案BSRD-2423-ES01及其零件。该碳化硅 MOSFET驱动板所应用的三款零件为基本半导体自主研发产品，包括双通道隔离变压器TR-P15DS23-EE13、正激DCDC电源芯片BTP1521x、单通道隔离驱动芯片BTD5350MCWR，客户可单独采用这些零件进行整体方案的设计。

• 即插即用驱动板型号为BSRD-2423-ES01
• 两组输入电压，分别是24V和5V
• 2通道输出，单通道输出功率2W
• 驱动芯片直接输出峰值拉灌电流10A，无须外置推动级
• 可支持驱动1200V的功率器件(碳化硅 MOSFET)

• 输出功率可达6W
• 适用于给隔离驱动芯片副边电源供电
• 正激电路（H桥逆变或推挽逆变）
• 软启动时间1.5ms
• 工作频率可编程，最高工作频率可达1.3MHz
• VCC供电电压可达24V
• VCC欠压保护点4.7V
• 工作环境-40~125℃
• 芯片过温保护点150℃, 过温恢复点120℃
• 超小体积封装

DC1和DC2接变压器原边线圈，副边二极管桥式整流，组成开环的全桥拓扑（H桥逆变），输出功率可达6W, 输出经过电阻和稳压管分压后构成正负压，供碳化硅MOSFET使用，非常适用于给隔离驱动芯片副边电源供电。

当副边需求功率大于 6W 时， 可以使用推挽逆变拓扑，通过DC1和DC2 端控制外接的 MOSFET 来增加输出功率。

TR-P15DS23-EE13是驱动器专用的隔离电源变压器，采用EE13骨架，可实现驱动器隔离供电，传输功率可达4W（每通道2W）。原理框图中N1是原边线圈，N2和N3是副边线圈，采用EE磁芯，磁芯材质铁氧体。

• 全桥式拓扑，副边两路输出，单路输出功率可达2W，总输出功率4W。
• 输入电压15V ，副边全桥整流输出全电压（VISO-COM=23V）。
• 输出全电压通过4.7V的稳压管，将全电压拆分成正电压（VISO-VS=18V），负电压（COM-VS=-4V）。
• BTP1521F的OSC管脚通过电阻R5=42.2kΩ接地，设置工作频率为F=477kHz。
• 工作频率可以通过RF-set电阻设置，本公式提供了RF-set(kΩ)和F(kHz)之间的关系（典型值）：

• 原方VCC1供电电压5V
• BTD5350xx是电压型输入的容隔驱动，输入IN是高阻抗，如果输入信号PCB布线不合理，容易导致输入信号受到干扰，驱动芯片会误动作，建议在PWM输入接电阻R11=10kΩ到地（甚至更低的电阻），目的是使得PWM信号的线路上能产生足够的电流，可以避免芯片输入IN脚受到干扰，同时靠近芯片IN脚接滤波电容C25=100pF到地。
• 副方电源VISO2接+18V， COM2接-4V ，G2连接到主功率板上的门极电阻。
• 驱动芯片米勒钳位Clamp连接到主功率板上SiC MOSFET门极。
• 当R3=22Ω，上下两通道可以实现互锁模式,当去掉R3，上下通道独立控制，无互锁功能。

随着碳化硅技术的不断进步，碳化硅MOSFET在工商业储能PCS中的应用前景广阔。基本半导体的碳化硅产品凭借优异的性能和可靠性，成为125kW工商业储能PCS客户的理想选择。未来，随着碳化硅器件的成本进一步下降，其在储能系统中的应用将更加广泛，推动整个行业向高效、高可靠的方向发展。