前 言

在工商業儲能系統中，儲能變流器（PCS）是核心組件之一，其性能直接影響整個系統的效率和可靠性。隨著碳化硅（SiC）功率器件的廣泛應用，儲能PCS的效率、功率密度和可靠性得到了顯著提升。本文將詳細介紹基本半導體產品在125kW工商業儲能PCS中的應用，并通過仿真數據和實際案例，展示其在高溫、滿負載（同時滿足120%負載要求）環境下的優異表現。

一、125kW工商業儲能PCS主流解決方案

工商業儲能系統PCS的拓撲結構設計至關重要，我們列舉幾個較為典型的方案。

1、T型三電平拓撲--IGBT

2、T型三電平拓撲--混合器件

3、I型三電平拓撲--IGBT

4、半橋兩電平拓撲-- 碳化硅MOSFET

二、BMF240R12E2G3在125kW工商業PCS應用的仿真數據

基本半導體的碳化硅MOSFET半橋PcoreTM2E2B模塊BMF240R12E2G3在125kW工商業儲能PCS中表現出色。通過仿真數據，可以看到其在高溫、高負載環境下的優異性能。

1、仿真條件--BMF240R12E2G3不并聯用于125kW 三相四橋臂PCS

仿真65℃/70℃/80℃散熱器溫度下，PCS整流和逆變三相四橋拓撲中E2B模塊1倍負載(125kW)、1.1倍負載(137.5kW)、1.2倍負載(150kW)碳化硅MOSFET的損耗和結溫。

2、仿真拓撲--三相四橋臂PCS

溫度和損耗監控U相，V相，W相中其中一橋臂的碳化硅MOSFET，此次仿真監控藍色框內的碳化硅MOSFET。

3、結溫和損耗仿真數據--100%負載（整流工況）

仿真65℃/70℃/80℃散熱器溫度下，PCS拓撲中E2B模塊1倍負載(125kW)碳化硅 MOSFET的損耗和結溫情況：在相同的開關頻率下，隨著散熱器的溫度升高，碳化硅 MOSFET的開關損耗反而在下降，一定程度上抵消了導通損耗的增加，高溫條件下的出流能力更強，這是基本半導體碳化硅模塊BMF240R12E2G3本身固有的優秀特性帶來的結果。

4、結溫和損耗仿真數據--120%負載（整流工況）

不同工況下的結溫、損耗對比：仿真65℃/70℃/80℃散熱器溫度下，PCS拓撲中E2B模塊1.2倍負載(150kW)碳化硅MOSFET的損耗和結溫如下表格所示。

5、結溫和損耗仿真數據--120%負載（逆變工況）

不同工況下的結溫、損耗對比：仿真65℃/70℃/80℃散熱器溫度下，PCS拓撲中PcoreTM2E2B模塊1.2倍負載(150kW)碳化硅MOSFET的損耗和結溫。

6、碳化硅MOSFET和集成電路在125kW工商業PCS應用中的選型（三相四橋臂）

三、主電路采用的碳化硅 MOSFET器件

1、Pcore2 E2B系列碳化硅MOSFET工業模塊

產品亮點

低導通電阻，高溫RDS(on)表現優異

內部集成碳化硅SBD,管壓降低且基本沒有反向恢復行為

低開關損耗，開關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Si3N4 AMB和高溫焊料引入，提高產品可靠性

支持Press-Fit壓接和Soldering焊接工藝

集成NTC溫度傳感器

應用領域

大功率快速充電樁

150A APF

125kW PCS

高端工業電焊機

高頻DCDC變換器

電機驅動控制

1）碳化硅MOSFET芯片采用內嵌碳化硅SBD的技術

在碳化硅MOSFET的元胞中嵌入碳化硅SBD元胞，可以顯著提升碳化硅MOSFET的性能。與MOSFET配合換流的是碳化硅SBD而不是MOSFET的體二極管，比起碳化硅MOSFET的體二極管換流，Eon會有優勢。

2）BMF240R12E2G3采用芯片內嵌碳化硅SBD二極管給系統帶來的優勢

可實現MOSFET的源極到漏極更低的VSD，比普通碳化硅 MOSFET的VSD要明顯低。當電網電壓異常波動時，PCS系統將有可能停止工作，碳化硅MOSFET門極封波，同時電網側的斷路器將斷開，切斷PCS系統和電網的連接，在斷路器完全切斷之前的時間內，電網通過體二極管對PCS進行不控整流，整流電流ISD從電網側涌進PCS的直流母線，這種工況需要靠碳化硅MOSFET的反并聯二極管硬扛浪涌電流。由于BMF240R12E2G3的SD間二極管有更低的VSD，這將大大降低導通損耗，從而提高碳化硅MOSFET的對電網浪涌電流的抵御能力。

3）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的數值遠大于Eoff，Eon占總損耗Etotal的60%~80%左右。

其他同行品牌I***和W***的Eon顯正溫度特性，隨著溫度上升Eon變大。

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

4）與國際品牌的靜態參數對比

a. 根據靜態特性，BMF240R12E2G3 在 BVDSS、VGS(th)、VSD、Crss 方面表現出色，優于其他同行產品。

b. 漏電IGSS 和開啟電壓VGS(th) 參數

c. RDS(ON) 參數

d. 體二極管VSD (Forward Voltage of Body-Diode) 和柵極電阻RG(int）

5）與國際品牌的動態參數對比

a. 電容參數

b. 雙脈沖測試平臺

c. 高溫和低溫，基本半導體BMF240R12E2G3 的Eoff、Etotal性能優異，都優于W***和I***

BMF240R12E2G3在高溫(Tj=125℃)時的Eon相比常溫(Tj=25℃)時的Eon顯著下降，這是BMF240R12E2G3最優秀的一項動態特性。

d. 高溫和低溫，體二極管的Qrr和Err的性能優于W***

基本半導體BMF240R12E2G3的體二極管的反向恢復電流變化率di/dt，在高溫（Tj=125℃）時的數值相比常溫（Tj=25℃）時的數量大幅度下降。

e. BMF240R12E2G3(BASiC)開關波形

測試條件: VDC=800V; ID=400A; Rgon=Rgoff=3.3Ω,Vgs(op)=-3V/+18V; Tj=125℃

f. 同行品牌W***開關波形

測試條件: VDC=800V; ID=400A; Rgon=Rgoff=3.3Ω,Vgs(op)=-3V/+18V; Tj=125℃

g. 同行品牌I***開關波形

測試條件: VDC=800V; ID=400A; Rgon=Rgoff=3.3Ω,Vgs(op)=-3V/+18V; Tj=125℃

2、基本半導體B2M 碳化硅MOSFET分立器件

基本半導體化硅MOSFET系列產品基于高性能晶圓平臺進行開發，在比導通電阻、品質系數因子FOM、開關損耗以及可靠性等方面表現更為出色。同時，碳化硅 MOSFET系列產品的封裝更為豐富，以更好滿足客戶需求。

基本半導體碳化硅MOSFET分立器件產品型譜

三、碳化硅MOSFET模塊的驅動板整體解決方案

為了充分發揮碳化硅MOSFET的性能，基本半導體提供完整的驅動板解決方案BSRD-2423-ES01及其零件。該碳化硅 MOSFET驅動板所應用的三款零件為基本半導體自主研發產品，包括雙通道隔離變壓器TR-P15DS23-EE13、正激DCDC電源芯片BTP1521x、單通道隔離驅動芯片BTD5350MCWR，客戶可單獨采用這些零件進行整體方案的設計。

1、碳化硅MOSFET驅動板參考設計

即插即用驅動板型號為BSRD-2423-ES01

兩組輸入電壓，分別是24V和5V

2通道輸出，單通道輸出功率2W

驅動芯片直接輸出峰值拉灌電流10A，無須外置推動級

可支持驅動1200V的功率器件(碳化硅 MOSFET)

2、隔離驅動專用正激DC-DC芯片BTP1521x

輸出功率可達6W

適用于給隔離驅動芯片副邊電源供電

正激電路（H橋逆變或推挽逆變）

軟啟動時間1.5ms

工作頻率可編程，最高工作頻率可達1.3MHz

VCC供電電壓可達24V

VCC欠壓保護點4.7V

工作環境-40~125℃

芯片過溫保護點150℃, 過溫恢復點120℃

超小體積封裝

BTP1521x應用推薦電路圖

DC1和DC2接變壓器原邊線圈，副邊二極管橋式整流，組成開環的全橋拓撲（H橋逆變），輸出功率可達6W, 輸出經過電阻和穩壓管分壓后構成正負壓，供碳化硅MOSFET使用，非常適用于給隔離驅動芯片副邊電源供電。

當副邊需求功率大于 6W 時， 可以使用推挽逆變拓撲，通過DC1和DC2 端控制外接的 MOSFET 來增加輸出功率。

3、雙通道隔離變壓器TR-P15DS23-EE13介紹

TR-P15DS23-EE13是驅動器專用的隔離電源變壓器，采用EE13骨架，可實現驅動器隔離供電，傳輸功率可達4W（每通道2W）。原理框圖中N1是原邊線圈，N2和N3是副邊線圈，采用EE磁芯，磁芯材質鐵氧體。

BTP1521F搭配隔離變壓器TR-P15DS23-EE13典型應用介紹

全橋式拓撲，副邊兩路輸出，單路輸出功率可達2W，總輸出功率4W。

輸入電壓15V ，副邊全橋整流輸出全電壓（VISO-COM=23V）。

輸出全電壓通過4.7V的穩壓管，將全電壓拆分成正電壓（VISO-VS=18V），負電壓（COM-VS=-4V）。

BTP1521F的OSC管腳通過電阻R5=42.2kΩ接地，設置工作頻率為F=477kHz。

工作頻率可以通過RF-set電阻設置，本公式提供了RF-set(kΩ)和F(kHz)之間的關系（典型值）：

4、隔離驅動BTD5350MCWR典型應用介紹

原方VCC1供電電壓5V

BTD5350xx是電壓型輸入的容隔驅動，輸入IN是高阻抗，如果輸入信號PCB布線不合理，容易導致輸入信號受到干擾，驅動芯片會誤動作，建議在PWM輸入接電阻R11=10kΩ到地（甚至更低的電阻），目的是使得PWM信號的線路上能產生足夠的電流，可以避免芯片輸入IN腳受到干擾，同時靠近芯片IN腳接濾波電容C25=100pF到地。

副方電源VISO2接+18V， COM2接-4V ，G2連接到主功率板上的門極電阻。

驅動芯片米勒鉗位Clamp連接到主功率板上SiC MOSFET門極。

當R3=22Ω，上下兩通道可以實現互鎖模式,當去掉R3，上下通道獨立控制，無互鎖功能。

隨著碳化硅技術的不斷進步，碳化硅MOSFET在工商業儲能PCS中的應用前景廣闊。基本半導體的碳化硅產品憑借優異的性能和可靠性，成為125kW工商業儲能PCS客戶的理想選擇。未來，隨著碳化硅器件的成本進一步下降，其在儲能系統中的應用將更加廣泛，推動整個行業向高效、高可靠的方向發展。

關于基本半導體

深圳基本半導體股份有限公司是中國第三代半導體創新企業，專業從事碳化硅功率器件的研發與產業化。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有研發中心和制造基地。公司擁有一支國際化的研發團隊，核心團隊由來自清華大學、中國科學院、英國劍橋大學、德國亞琛工業大學、瑞士聯邦理工學院等國內外知名高校及研究機構的博士組成。

基本半導體掌握碳化硅核心技術，研發覆蓋碳化硅功率半導體的芯片設計、晶圓制造、封裝測試、驅動應用等產業鏈關鍵環節，擁有知識產權兩百余項，核心產品包括碳化硅二極管和MOSFET芯片、汽車級及工業級碳化硅功率模塊、功率器件驅動芯片等，性能達到國際先進水平，服務于電動汽車、風光儲能、軌道交通、工業控制、智能電網等領域的全球數百家客戶。

基本半導體是國家級專精特新“小巨人”企業，承擔了國家工信部、科技部及廣東省、深圳市的數十項研發及產業化項目，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中心，是國家5G中高頻器件創新中心股東單位之一，獲批中國科協產學研融合技術創新服務體系第三代半導體協同創新中心、廣東省第三代半導體碳化硅功率器件工程技術研究中心。