倾佳电力电子设备高压辅助电源拓扑、器件选型与1700V SiC MOSFET技术分析报告

摘要：倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半导体器件

倾佳电力电子设备高压辅助电源拓扑、器件选型与1700V SiC MOSFET技术分析报告

I. 绪论：高压电力电子系统对辅助电源的严苛要求

倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

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A. 电力电子设备中的高压 DC 母线环境概述

光伏逆变器、储能变流器（ESS）和大功率变频器（VFD）是现代电网和工业应用中的核心设备。这些设备的主功率级通常运行在极高的直流母线电压下，常见电压范围在 600V DC 至 1000V DC 甚至更高。辅助电源（Auxiliary Power Supply, Aux PSU）在这些高压系统中扮演着“神经中枢”的角色，负责为关键的低压子系统提供稳定的电源，包括栅极驱动器、控制电路（如 DSP/MCU）、冷却风扇、传感器和通信模块。因此，辅助电源的可靠性直接决定了整个主系统的运行效率和寿命。

为了直接从高压直流母线取电，辅助电源的主开关器件必须具备极高的耐压能力。设计时不仅需要承受标称的直流输入电压，更要预留充足的裕量来吸收在开关瞬态过程和系统浪涌期间产生的严重电压尖峰。在追求高效率和高功率密度的趋势下，辅助电源的性能要求变得极为苛刻。

B. 传统硅（Si）方案在高压应用中的局限性

传统的硅功率半导体在高压应用中面临着不可逾越的性能瓶颈。为了实现高击穿电压，传统的硅高压 MOSFET 或 IGBT 需要非常厚的漂移区。这一结构上的要求导致了漏源导通电阻 (RDS(on)) 显著增加，进而产生了较大的传导损耗。

高传导损耗意味着大量的热能产生，这使得系统必须依赖体积庞大的散热器进行热管理。这种需求与现代电力电子设备追求小型化、轻量化和高功率密度的发展趋势完全背道而驰。

此外，如果为了满足超过 1300V 的耐压需求而采用电压等级较低的 Si MOSFET 串联方案（例如串联一对 800V MOSFET），虽然理论上可以达到高耐压，但这种方法会引入复杂的栅极驱动电路和精密的电压平衡电路。这不仅显著增加了系统的复杂性、物料成本，而且增加了潜在的故障点。由于光伏和储能领域的停机维护成本极高，牺牲电压裕量或引入复杂串联结构的设计，是对系统长期可靠性的重大威胁。因此，设计人员迫切需要一种能够在高压下提供高效率、高热稳定性且结构简单可靠的解决方案。

II. 高压辅助电源的典型拓扑结构与控制策略

A. 拓扑选择：隔离型反激转换器的优势

在中低功率（通常小于300W）的高压隔离应用中，隔离型反激（Flyback）转换器因其结构简单、元件数量少、以及天然提供输入/输出隔离的优点，成为工业辅助电源和开关电源的首选拓扑。为了进一步提升系统的能效并降低开关损耗，现代辅助电源设计经常采用准谐振（Quasi-Resonant, QR）反激控制模式。QR 模式通过在主开关的漏源电压 ( VDS) 波形的谷底导通，实现准零电压开关（ZVS）。这种谷底开关技术在高频操作下表现尤为优异，能够最大限度地减少开关损耗。

B. 核心控制策略：电流模式 PWM 控制器

辅助电源的高效运行依赖于高性能的电流模式 PWM 控制器，例如基本半导体（BASiC Semiconductor）的 BTPx84x 系列，该系列专为反激电源和 BOOST 变换器设计。

该系列控制器具备支持高频操作的能力，其最高工作频率可达 500kHz 。这一高频特性是选用 SiC MOSFET 的直接推动力，因为只有 SiC 器件极低的开关损耗才能在 500kHz 频率下保持高效率。控制器通过 ISENSE 管脚实现原边电流检测和逐周期限流功能，提高了系统保护的响应速度。此外，该控制器系列提供了高达 ±1A 的门极驱动峰值电流，这足以直接、快速地驱动低栅极电荷 ( QG) 的 SiC MOSFET（如 B2M600170 系列 QG 仅为 14 nC）。

在高压反激拓扑中，确定主开关的耐压需求至关重要。开关在关断瞬间承受的峰值电压应力 (VDS,peak) 是由输入电压、反射电压和开关尖峰共同决定的：

VDS,peak≈Vin,max+VOR+Vspike

在 1000V DC 输入的系统中，VDS,peak 极易超过 1500V。这种固有的高电压应力要求器件必须拥有足够的裕量。此外，控制器必须具备鲁棒的欠压锁定（UVLO）机制，以确保在高压启动和掉电过程中 VCC 供电的稳定。BTPx84x 系列提供了宽滞回的 UVLO 特性（例如 BTPx842/BTPx844 的恢复阈值为 16V，保护阈值为 10V），这是在高压恶劣环境中确保辅助电源稳定启动的必要条件。SiC 的低

QG 允许控制器运行在高频（500kHz），从而减小磁性元件和电容的体积，直接实现高功率密度。

III. 碳化硅 (SiC) 技术的本质优势与对比分析

A. SiC 物理特性：宽带隙的深层意义

碳化硅（SiC）属于宽禁带（Wide Bandgap, WBG）半导体材料，其卓越的性能根植于其优异的物理特性。

带隙能 (Bandgap Energy, Eg): SiC 的带隙能为 3.2 eV，大约是传统硅（1.1 eV）的三倍。更高的

Eg 使得 SiC 器件能够在更高的温度下保持稳定的电学特性，降低本征载流子浓度，从而极大地减少高温下的漏电流 (IDSS)。

临界击穿场强 (Critical Breakdown Field Strength, EC): SiC 的 EC 约为 3 MV/cm，是硅（约 0.3 MV/cm）的十倍。这一特性具有革命性的意义：为了实现相同的击穿电压，SiC 功率器件的漂移层可以设计得更薄，这直接导致了在给定耐压下，器件单位面积的导通电阻 ( RDS(on)) 远低于 Si 器件。

特性 (Property)

硅 (Si)

碳化硅 (SiC)

提升倍数 (Factor of Improvement)

带隙能 (Eg)

1.1 eV

3.2 eV

~3x

临界击穿场强 (EC)

~0.3 MV/cm

~3 MV/cm

~10x

热导率 (λ)

~1.5 W/cm·K

~3.7 W/cm·K

~2.5x

最高工作温度

~150°C

~175°C (商用)/ >200°C (极限)

B. 动态与静态性能的优化

SiC 材料的特性直接转化为卓越的电气性能，使其完美契合高频辅助电源的需求。

静态性能方面，BASiC 1700V SiC MOSFETs（如 B2M600170 系列）在 25∘C 时典型的 RDS(on) 仅为 600 mΩ ，在高压器件中表现出色，显著降低了传导损耗。

动态性能方面，SiC MOSFET 具有极低的开关损耗。总栅极电荷 (QG) 仅为 14 nC ，确保了低驱动损耗和纳秒级的开关速度，能够支持 500kHz 级别的高频操作。此外，输出电容存储能量 ( Eoss) 仅为 6.3 μJ ，最大程度地减少了开关瞬间的能量消耗。

另一个关键优势在于 SiC MOSFET 的体二极管。与传统 Si 器件不同，SiC 体二极管的反向恢复电荷 (Qrr) 极低，典型值在 25∘C 时分别为 42 nC (H 封装) 或 38 nC (R 封装) 。这种近乎零的反向恢复特性彻底消除了 Si 器件在高频硬开关中常见的反向恢复损耗和 EMI 问题。

C. 热管理与可靠性提升

SiC 技术对热管理带来的效益不仅仅是效率提升。BASiC SiC MOSFET 的最大工作结温 (Tj) 上限高达 175∘C ，为系统设计提供了更大的热裕量。结合 SiC 优异的热导率，这意味着器件在高环境温度或高功率密度下仍能保持可靠运行。

实际应用数据证实了 SiC 的热管理优势。在 1000V DC 输入、满载 65W 输出的苛刻条件下，SiC 器件的实测温度仍能稳定控制在 92∘C 左右。该温度远低于 175∘C 的结温上限，保证了在光伏和储能等恶劣工业环境中的长期热可靠性和更长的使用寿命。这种对环境温度的高容忍度是系统可靠性的一项重要指标。

IV. 1700V SiC MOSFET 成为高压辅助电源主流选择的必然性

A. 高压系统输入端设计裕量需求论证

1700V SiC MOSFET 成为主流选择的根本原因在于其提供了高压系统运行所需不可或缺的电压安全裕量。对于标称 1000V DC 母线的电力电子系统，反激拓扑中主开关的瞬态峰值电压 VDS,peak 极有可能达到 1500V 甚至更高。

如果选用 1200V 额定电压的器件，在高压输入下将缺乏任何安全裕量。即使是微小的漏感尖峰或母线电压瞬变，都可能导致器件超过其最大额定电压，进而引发雪崩击穿和系统性失效。虽然 1500V 器件提供了稍多一些的裕量，但如果采用硅技术，其 RDS(on) 通常过高，热性能不佳。

相比之下，1700V SiC MOSFET（如 B2M600170 系列）提供了至少 20% 至 30% 的绝对安全裕量，能够可靠地吸收设计中难以完全消除的开关尖峰和系统级浪涌。这一安全阈值保障了在 1000V DC 应用中长期、稳定的运行。

B. BASiC 1700V SiC MOSFET B2M600170 系列的技术验证

基本半导体 B2M600170 系列 SiC MOSFET 以其卓越的参数平衡性，成为了高压辅助电源的首选。该系列具备 1700V 的高耐压等级，同时保持了 25∘C 时 600 mΩ 的低典型导通电阻。其极低的 QG（14 nC）配合 BTPx84x 等 500kHz 级别的控制器，使得高频开关成为可能。

值得注意的是，SiC RDS(on) 具有正温度系数，即 RDS(on) 会随着温度升高而增加。该系列器件从 25∘C 的 600 mΩ 增加到 175∘C 的 1230 mΩ (约 2.05倍) 。这一特性虽然会使高温传导损耗略微增加，但它是一种防止热失控（Thermal Runaway）的固有保护机制，大大增强了器件在各种工况下的稳定性。

下表总结了 BASiC B2M600170 系列的关键性能参数，证明了其在可靠性、效率和热性能方面的优势：

BASiC B2M600170 系列关键性能参数对比

参数 (Parameter)

符号 (Symbol)

B2M600170H (TO-247-3)

B2M600170R (TO-263B-7)

单位 (Unit)

高压应用价值

额定电压

VDSmax

1700

1000V DC 系统安全裕量保障

典型 RDS(on) (25∘C)

RDS(on),typ

600

mΩ

低传导损耗

总栅极电荷

支持高速开关，降低驱动损耗

典型 Eon (25∘C)

Eon

μJ

R 封装开关损耗更低

开通延迟时间 (td(on))

td(on)

R 封装开关速度更快

结-壳热阻

Rth(jc)

2.00

2.50

K/W

H 封装热阻更低

工作结温

-55 ~ 175

°C

极高的热可靠性

V. 封装与热性能对辅助电源小型化的影响

A. 封装技术对开关性能的决定性影响

为了满足不同的安装和散热要求，该系列 SiC MOSFETs 提供了多种封装选项，例如螺钉安装的 TO-247-3 (B2M600170H) 和表面贴装的 TO-263B-7 (B2M600170R) 。

在追求极致功率密度和高频操作的辅助电源设计中，封装技术对开关性能的影响是决定性的。B2M600170R 采用的 TO-263B-7 封装集成了 **Kelvin Source（开尔文源）**端子。开尔文源是一个单独的信号源引脚，用于连接栅极驱动回路，从而将主电流路径中的高寄生电感（Common Source Inductance, CSI）从敏感的驱动回路中分离出来。

通过有效消除 CSI 对栅极电压产生的负反馈效应，开尔文源极大地加快了开关速度并降低了动态损耗。数据显示，R 封装的典型开通延迟时间 (td(on)) 仅为 7 ns，远低于 H 封装的 12 ns 。更重要的是，R 封装在 25∘C 时的典型开通能量 (Eon) 为 53 μJ，比 H 封装的 80 μJ 减少了约 34% 。这表明，先进的封装技术是充分释放 SiC 核心材料高速开关潜能的关键。

B. SiC 器件对功率密度提升的量化贡献

SiC 器件与高频控制器（如 BTPx84x 的 500kHz）的结合，使得辅助电源实现了显著的小型化。由于 Eon 极低，开关频率可以远超传统 Si 方案（通常低于 150kHz），进而使得电感、变压器和电容等无源元件的体积和重量大幅减小。

在行业层面，高频化带来的小型化效益是巨大的。研究表明，在以 1 MHz 运行的隔离型 LLC 转换器中，采用 SiC 或 GaN 技术可以使磁性元件的尺寸和重量减少高达六倍。

此外，SiC 的低损耗特性和高达 175∘C 的工作结温，极大地降低了对热管理系统的要求。设计人员可以显著减小甚至取消散热器，这直接促进了高功率密度 Aux PSU 的实现，对于空间和重量受限的储能和电动汽车充电站等应用至关重要。

VI. 总结与行业展望

A. 总结 1700V SiC MOSFET 在辅助电源设计中的核心价值

1700V SiC MOSFET 已成为高压电力电子辅助电源的主流选择，其核心价值体现在以下三个方面：

超高可靠性： 1700V 的耐压等级为 1000V DC 输入系统提供了 20% 到 30% 的绝对安全裕量，这是保证在瞬态尖峰和系统浪涌下长期稳定运行的关键要素。

极致效率与小型化： 凭借 600 mΩ 的低 RDS(on) 和极低的开关损耗（QG 14 nC，Eon 低至 53 μJ），SiC 支持 500kHz 级别的高频操作。这一高频化是实现高功率密度、显著减小磁性元件体积和减少散热器需求的前提。

高温稳定性： 175∘C 的最大工作结温以及 SiC 固有的正温度系数 RDS(on)，确保了设备在户外或工业等恶劣环境下的长期热可靠性。

B. 对未来电力电子系统辅助电源设计趋势的展望

深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦新能源与电力电子变革的核心推动者：
倾佳电子成立于2018年，总部位于深圳福田区，定位于功率半导体与新能源汽车连接器的专业分销商，业务聚焦三大方向：
新能源：覆盖光伏、储能、充电基础设施；
交通电动化：服务新能源汽车三电系统（电控、电池、电机）及高压平台升级；
数字化转型：支持AI算力电源、数据中心等新型电力电子应用。
公司以“推动国产SiC替代进口、加速能源低碳转型”为使命，响应国家“双碳”政策（碳达峰、碳中和），致力于降低电力电子系统能耗。
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