倾佳电子技术报告：大功率矿机算力电源的拓扑架构、SiC MOSFET应用及其发展趋势

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

倾佳电子技术报告：大功率矿机算力电源的拓扑架构、SiC MOSFET应用及其发展趋势

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。

倾佳电子杨茜致力于推动国产SiC碳化硅模块在电力电子应用中全面取代进口IGBT模块，助力电力电子行业自主可控和产业升级！

倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三个必然，勇立功率半导体器件变革潮头：

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I. 执行摘要

大功率矿机算力电源（PSU）在追求极致效率和高功率密度方面，面临着前所未有的技术挑战。传统硅（Si）基功率器件已逐渐成为制约系统性能提升的瓶颈。倾佳电子深入分析了当前算力电源广泛采用的两级转换拓扑结构（交错式 PFC 结合全桥或半桥 LLC 谐振变换器），并详细阐述了碳化硅（SiC）MOSFET 在该领域的核心技术优势。由于 SiC MOSFET 具有显著降低的开关损耗、卓越的耐高温特性以及高速开关能力，它已成为实现下一代大功率 PSU 设计（例如 80 PLUS Titanium 级别，即 96%+ 效率）的战略核心。为了充分利用 SiC 器件的全部潜力，电源系统的设计必须同步升级，涵盖高频栅极驱动（如 10A 峰值电流、60ns 延迟的隔离驱动）以及高频辅助电源 (例如 1.3MHz DC-DC 供电)，并采纳如 Kelvin 源极等先进封装技术以最大程度地减少寄生效应，从而在整体系统效率、功率密度和可靠性方面实现跨越式发展。

II. 大功率算力电源的系统级拓扑架构

A. 算力电源的功率等级划分与设计挑战

大功率算力电源通常定义为输出功率覆盖 3kW 到 10kW 范围的高密度电源系统。在这一功率等级下，设计者面对的核心挑战是在有限的物理空间内，同时实现超高效率（接近 80 PLUS Titanium 级）和高度有效的热管理。

实现这些高目标的关键在于在高电流和高电压应力下，将功率损耗，尤其是开关损耗，降至绝对最低，以确保在结温 (TJ) 的安全范围内运行，并达成 96% 以上的效率目标。此外，由于矿机部署环境的工业化趋势，输入电压标准已倾向于采用三相 380V 交流线电压。这种输入配置在整流后会产生一个平均值约为 520V 的直流母线电压。

这一高直流母线电压对功率器件的选择产生了直接且重要的要求。前端 PFC 级的开关器件，在考虑瞬态电压和安全裕量的情况下，需要至少具备 650V/750V 的耐压能力。更重要的是，后端的 DC/DC 变换级（如 LLC 拓扑）的原边开关在工作时，需要承受直流母线电压叠加变压器反射电压的应力。因此，为了确保在开关瞬态和系统启动/关断过程中具有足够的电压裕量和长期可靠性，DC/DC 级功率器件几乎必然需要选用 1200V 甚至更高耐压等级的器件，而非仅仅依靠 650V/750V 器件，这使得 1200V SiC MOSFETs 成为 DC/DC 级设计的必然选择。

B. 主流两级转换架构

高功率算力电源系统普遍采用两级拓扑结构：第一级是用于提高功率因数和将输入直流电压升压至稳定高电平的 AC/DC 转换级；第二级是用于高效率隔离和稳压的 DC/DC 转换级。

1. 前端 AC/DC：高功率因数校正级 (PFC Stage)

对于处理大功率并旨在降低输入电流谐波的目的，前端通常采用交错式连续导通模式（CCM）PFC 拓扑 。交错式结构能够有效分散热量，并减小输入输出电流纹波。

SiC MOSFET 在此阶段的集成带来了显著的性能优势。由于 SiC 具有极低的开关损耗和快速的开关速度，PFC 级能够以更高的开关频率（例如 100kHz 至 200kHz）运行。频率的提高可以直接减小电感和电容等磁性元件和无源元件的体积和重量，从而显著提高整个前端的功率密度。例如，750V SiC MOSFET（如 B3M010C075Z）具有低至 10mΩ 的典型导通电阻和高达 240A 的电流容量，非常适合在 520V DC 母线电压下作为 PFC 升压开关使用，以确保极低的导通损耗。

2. 后端 DC/DC：高效率谐振变换级 (LLC Stage)

在两级结构中，全桥或半桥 LLC 谐振变换器被广泛认为是实现高效率高功率电源的核心拓扑。LLC 拓扑的核心优势在于其能够在宽负载范围内实现原边开关管的 零电压开关 (ZVS)，以及副边二极管的零电流开关 (ZCS) 。

SiC MOSFET 在 LLC 拓扑中能够发挥出最佳性能。尽管 LLC 拓扑本身在 ZVS 模式下开关损耗较低，但传统 Si MOSFET 的体二极管在桥臂续流时会产生显著的反向恢复电荷 (Qrr) 损耗。SiC MOSFET 的体二极管具有几乎零反向恢复电荷的特性，从而消除了这一损耗，显著提升了轻载和宽输入范围下的效率。考虑到 520V 母线电压，通常选用 1200V 级别的 SiC MOSFET（例如 B3M013C120Z，典型导通电阻RDS(on)=13.5mΩ）来确保高耐压裕度和低损耗运行。

C. 创新架构与高压串联供电模式

为了满足算力板（ASIC 芯片）日益增长的供电需求并进一步优化能效，矿机电源架构正向高度定制化方向发展，旨在消除传统多级转换带来的二次转换损耗。

一种新兴的架构是高压串联供电模式。在这种模式下，算力板被设计成允许通过电源正端子和负端子实现板与板之间的串联连接。通过精确控制算力板的串联数量，可以使所有算力板的总电压之和精确匹配 PFC 级的直流母线电压（例如 520V）。

这种架构的显著优势在于它省去了电源中的 DC-DC 变换器，从而大幅提高了整体电源效率，并降低了电源系统的设计复杂度和成本。此外，隔离电路可以被集中布置在控制板上，进一步简化了系统。

在这种简化拓扑中，主电源（即 LLC 变换器）的性能变得更加关键，它需要输出的是稳定、高品质的高压直流电。LLC 级直接决定了总系统效率。为了实现小型化（即高功率密度）和超高效率（Titanium 级），LLC 变换器必须被迫工作在更高的开关频率。频率的提高意味着开关损耗急剧增加，因此只有 SiC MOSFET 能够凭借其极低的导通/关断能量 (Eon/Eoff) 在高频下维持高效率。LLC 拓扑的改进（例如采用副边 LLC 谐振拓扑）也可以提供高增益性能，以更好地应对高压变换的挑战。

III. SiC MOSFET 的器件物理优势与开关性能量化

SiC 器件的性能优势直接来源于其宽禁带材料的物理特性，这些优势在大功率、高频应用中能够得到显著的量化体现。

A. SiC 基础物理特性与 Si/SiC 器件的性能边界对比

碳化硅的介电击穿强度比传统硅高出约 10 倍，同时禁带宽度高出约 3 倍。这些优越的材料特性使得 SiC 器件能够同时实现高耐压（例如 1200V）和极低的导通电阻 ( RDS(on)) ，从而直接降低了系统的导通损耗。另一个关键优势是 SiC 具有高热导率，这极大地促进了热量的迅速耗散。这一特性与 SiC 器件本身高达 175∘C 的最高工作结温 (TJ) 额定值相结合，极大地增强了系统的热稳定性，放松了对散热器的要求，并提高了系统的长期可靠性。

B. 损耗分析：导通损耗 (Econd) 与开关损耗 (Esw)

开关损耗 (Esw) 的巨大优势： 在功率变换中，SiC MOSFET 相比于传统 Si IGBT，在相同测试条件下，导通开关损耗 (Eon) 可减少 65% 至 76% 。在总损耗的比较中，用 SiC 替换 Si IGBT 后，总损耗可实现约 41% 的减少。

在 LLC 拓扑中，SiC MOSFET 的体二极管反向恢复优势至关重要。例如，对于 1200V B3M013C120Z 器件，在 VDC=800V、 ID=60A 和 TJ=175∘C 的条件下，如果使用 SiC 肖特基二极管（SiC SBD，例如 B4D40120H）作为续流二极管，导通能量 (Eon) 典型值为 880μJ。而即使使用 MOSFET 的体二极管作为续流，其 Eon 也仅为 1490μJ ，这种性能仍然远优于传统硅器件。极低的开关损耗是电源可以运行在更高频率（例如 330kHz，甚至某些特殊应用的 500kHz 以上）的核心原因，这使得无源元件体积得以缩小，实现了更高的功率密度。

导通电阻 (RDS(on)) 与温度特性： SiC MOSFET 的导通电阻 RDS(on) 随温度升高而增大的幅度，通常小于传统的 Si 器件，展现出更佳的温度稳定性。例如，1200V B3M013C120Z 的典型导通电阻从 25∘C 的 13.5mΩ 上升到 175∘C 的 23mΩ ，增幅约为 70%。这种相对平稳的性能曲线，使得系统设计者能够更可靠地利用 SiC 器件的高温工作能力。

C. 典型 SiC MOSFET 器件选型与参数分析

针对 PFC 和 LLC 两级架构，需要根据电压应力、电流能力和损耗目标来选择合适的 SiC MOSFET。值得注意的是，所有面向高功率应用的 SiC 器件，例如 B3M010C075Z 和 B3M013C120Z，均采用了 4-pin（Kelvin Source）封装。

这种 Kelvin 源极封装通过将功率源极和控制源极分离，有效降低了高频开关回路中的寄生源极电感对栅极驱动信号的影响。在 SiC 高速开关（高 dv/dt 和 di/dt）的情况下，即使微小的杂散电感也会产生显著的负反馈电压，降低实际栅源电压，增加开关损耗。因此，4-pin Kelvin 源极封装是发挥 SiC 全部性能、实现高频高效率设计的关键技术细节。

设计者通常需要在导通电阻 (RDS(on)) 和电流容量之间进行权衡。对于追求极致功率密度的矿机电源，通常会倾向于使用更多并联的低 RDS(on) 器件，以平衡导通损耗和开关损耗。

Table 1 总结了典型 SiC MOSFET 关键性能参数，以供设计参考。

Table 1: 典型 SiC MOSFET 关键性能参数比较 (基于 BASiC Semiconductor 器件)

器件型号

VDS (V)

RDS(on) (@25°C, mΩ)

ID (@25°C, A)

封装

QG (nC) (Typ.)

Etotal (@Tj=175°C, μJ)

适用阶段

B3M040065Z

650

TO-247-4

147 (Body Diode)

低压 PFC/LLC

B3M010C075Z

750

240

TO-247-4

220

1650 (Body Diode)

中压/大电流 PFC

B3M013C120Z

1200

13.5

180

TO-247-4

225

2090 (Body Diode)

高压 LLC

B3M020120ZL

1200

127

TO-247-4L

168

1810 (Body Diode)

高压 LLC/低电流

注：Etotal 为 Eon+Eoff，基于体二极管作为 FWD 的测试数据。

IV. SiC 驱动与辅助电源子系统设计

SiC MOSFET 的高性能特点要求其配套的驱动电路和辅助电源系统必须同步升级，才能有效应对高 dv/dt 和高开关频率带来的复杂挑战。

A. SiC MOSFET 栅极驱动的挑战与要求

米勒效应与寄生导通的控制： SiC MOSFET 的反向传输电容比 (Crss/Ciss) 相对较高。在器件快速关断和高 dv/dt 开关期间，米勒电流 (IMiller) 流过栅极回路的电阻和寄生电感，这可能在处于关断状态的同一桥臂上的开关管栅极上产生正向电压尖峰。如果尖峰电压超过器件的阈值电压，就会引发寄生导通（也称误导通）。

为应对这一挑战，SiC 驱动通常要求 VGS 采用双极性供电：使用较高的正向驱动电压（例如 ≈18V）以确保极低的 RDS(on) ，同时使用一个负偏置电压（例如 −5V）来确保在关断状态下有足够的裕量抵抗米勒尖峰，实现可靠关断。

驱动电流和速度要求： 驱动大型 SiC 器件（如 1200V 级，总栅极电荷 QG 典型值约为 225nC ）需要在数十纳秒（ns）的极短时间内注入或抽取大量电荷。这要求栅极驱动器必须提供极高的瞬时峰值电流。

B. 隔离型栅极驱动器分析 (BTD5350x 系列)

专用的隔离型栅极驱动器是充分发挥 SiC 性能、确保主电路与控制电路之间高隔离度和长期可靠性的关键。

BTD5350x 系列驱动器具有高达典型 10A 的峰值输出电流能力，这对于快速驱动大 QG 的 SiC MOSFET 至关重要。同时，该驱动器的传输延迟时间低至 60ns ，确保了在高频运行中脉宽的精确控制和时序的准确性。

该系列驱动器还提供了关键的保护功能，例如 米勒钳位 (Miller Clamp) 技术。BTD5350M 版本提供专用的 CLAMP 管脚，在器件处于关断状态时，该钳位功能能够将栅极电压钳位至小于 2V 的低电平，从而有效吸收米勒电流，防止寄生导通现象的发生。此外，对于高压矿机应用，该驱动器在 SOW-8 封装下可提供高达 5000Vrms 的隔离电压，满足严格的工业和安规要求。

该驱动器还提供不同的功能配置，例如 BTD5350S 版本提供独立的开通 (RG,ON) 和关断 (RG,OFF) 输出控制脚。这使得设计者能够分别优化导通速度和关断速度，通过使用不同的外部栅极电阻来精细控制开关速度和 dv/dt，这是 SiC 应用中实现 EMI 兼容和效率优化的重要手段。

C. 隔离辅助电源解决方案 (BTP1521x 芯片)

栅极驱动器通常需要一个稳定、隔离的高品质辅助电源。在 SiC 主功率级运行于数百 kHz 的高频系统中，传统低频辅助电源因其体积大、动态响应慢而不再适用。

高频化趋势在辅助电源设计中同样适用。BTP1521x 正激 DC-DC 开关电源芯片支持最高 1.3MHz 的工作频率。这种超高工作频率使得辅助电源的变压器和滤波元件的尺寸得以大幅减小，不仅提高了辅助电源自身的功率密度，还使其能够与主电源的高频运行环境保持高度协同。

BTP1521x 可以在直接驱动模式下提供高达 6W 的输出功率，或者在推挽拓扑中驱动外部 MOSFET 以提供更大功率。这种灵活性提供了可靠的解决方案，能够为 SiC 驱动器提供所需的双极性供电（例如 +18V/−5V），确保栅极驱动系统在超高频下稳定运行。辅助电源的高频化确保了从主功率级到控制电源的全链路高频高密度设计得以实现。

V. SiC MOSFET 对电源系统可靠性与热管理的影响

SiC 技术的应用不仅仅是关于效率和功率密度的提升，它也对电源系统的长期稳定性和热管理策略产生了根本性的影响。

A. SiC 高温工作能力对散热设计的放松

SiC MOSFET 的最高结温 (TJ) 额定值典型值可达 175∘C ，相比于传统 Si 器件 150∘C 的限制，显著提高了系统的环境耐受性。这一特性使得系统能够在相同的环境温度下运行更高的功率，或在相同的功率水平下使用更小的散热器，从而提高了 PSU 的环境适应性和功率密度 。

热管理效率也得到提升。例如，B3M013C120Z 的结到壳热阻 (Rth(j−c)) 典型值仅为 0.20K/W 。这种优异的热阻值，得益于先进的封装技术（例如应用银烧结技术改进 Rth(j−c) ），保证了热量能以极高效率从芯片传递到散热器。

B. SiC 在电压/电流浪涌保护方面的优势

SiC 器件在处理高压、大电流浪涌保护方面表现出卓越的性能，这为电源系统带来了更高的稳定性。在矿机 PSU 这种需要连续、高负荷运行的应用中，SiC 固有的高可靠性（例如抗辐射能力强、高热稳定性）是保障系统能够长期高效“挖矿”的关键因素。SiC 的引入有效减少了因电应力或热应力导致的故障风险。

C. 热管理系统演进与 SiC 的协同效应

随着 ASIC 芯片的晶体管密度和功耗持续提升，算力电源对散热的要求也随之急剧上升。虽然 SiC 已经降低了电源模块本身的产热量，但其高耐温特性也使其能够更好地适应下一代先进冷却技术。例如，目前应用于大功率计算领域的液冷或相变冷却等技术，通过将电源模块集成到整体的冷却循环中，可以实现前所未有的功率密度。SiC 的 175∘C 结温耐受性为这些先进冷却系统的设计提供了更大的温度窗口和更高的灵活性。

Table 2: SiC MOSFET 与传统 Si 器件开关性能对比 (概念模型)

性能指标

传统 Si MOSFET/IGBT

SiC MOSFET

对算力电源的价值

开关损耗 (Esw)

较高，频率受限

极低 (∼70%+ 降低)

效率提升，高频运行，无源元件缩小

体二极管 Qrr

高 (存在拖尾电流)

极低/接近零

消除桥臂损耗，尤其在 LLC 中提升效率

最高结温 (TJ)

150∘C (典型)

175∘C (典型)

提高系统环境耐受性，简化散热设计

驱动要求

12V−15V

18V (必要)

要求专用栅极驱动器（如 BTD5350x）

封装要求

3-pin 占主流

4-pin (Kelvin) 成为高频标配

最小化寄生电感，最大化开关速度

VI. 大功率算力电源的未来发展趋势

A. 模块化与集成化封装技术

随着算力电源的功率等级不断攀升，使用分立 SiC 器件进行简单并联将面临电流共享、寄生电感控制和热管理日益复杂的挑战。

未来的趋势必然是采用 SiC 功率模块（Power Modules）。这些模块将多个 SiC MOSFET 和 SiC SBD 集成在一个经过优化、具有极低杂散电感特性的封装内部。这种模块化设计能够从根本上优化电流路径，简化系统级并联设计，并显著降低寄生电感，这对于充分发挥 SiC 的高频、高 di/dt 优势至关重要。

B. 数字化控制与智能化诊断

下一代大功率 PSU 将普遍采用高性能微控制器（MCU）或数字信号处理器（DSP）来实现全数字化控制，用于对 PFC 和 LLC 级进行精确管理。

SiC 的高速开关特性对控制环路的速度和精度提出了更高的要求。数字化控制能够实现自适应死区时间控制、精确的电流共享和快速的瞬态响应，这些功能对于稳定运行高速 SiC 拓扑至关重要。同时，数字化平台也为集成更复杂的智能化诊断和预测性维护功能奠定了基础

C. 超高功率密度与 80 PLUS Titanium 效率等级的持续追求

对 PSU 效率的持续追求，以达到 80 PLUS Titanium 级及更高的目标，是降低矿场运营成本的核心驱动力。SiC 技术是实现这一目标不可或缺的驱动力。

为了达到更高的功率密度（瓦特/立方英寸比率），电源设计必须通过 SiC 技术提高开关频率，从而实现无源元件的体积缩小。此外，SiC 技术的应用与先进的散热技术（如液冷或相变冷却）相结合，将共同推动超高功率密度 PSU 的实现。

值得强调的是，SiC 实现的高频、高效交错式 PFC 拓扑对电网环境的优化也具有重要意义。这种拓扑结构能够产生更少的谐波电流，并保持较高的系统功率因数。这种“清洁”电源的特性不仅满足了电网标准，也提高了大功率设备在工业环境中部署的适用性和可靠性。

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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