基于SiC碳化硅功率器件的一级能效超大功率充电桩电源模块深度报告


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，力推BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管，SiC碳化硅MOSFET功率模块，SiC模块驱动板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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1. 执行摘要与系统设计综述

随着新能源汽车产业的爆发式增长，市场对充电基础设施的功率密度与转换效率提出了极为严苛的要求。GB20234等标准以及行业内对“一级能效”的追求，使得充电模块的峰值效率普遍要求达到96%甚至97%以上。倾佳电子针对基于基本半导体（BASIC Semiconductor）碳化硅（SiC）分立器件构建的超大功率充电桩电源模块方案进行详尽的技术论证与性能分析。

该方案的拓扑架构明确为前级三相维也纳（Vienna）PFC整流与后级三相交错LLC谐振变换器。关键半导体器件选型如下：

  • 前级 AC-DC（Vienna整流）： 选用 B3D80120H2（1200V/80A SiC SBD）作为整流二极管，配合 B3M010C075Z（750V/10mΩ SiC MOSFET）作为主功率开关管。
  • 后级 DC-DC（LLC变换器）： 原边开关管采用 B3M013C120Z（1200V/13.5mΩ SiC MOSFET），副边整流采用 B3D80120H2（1200V/80A SiC SBD）。

倾佳电子将从器件物理特性、静态与动态参数分析、拓扑适应性、热管理设计及可靠性物理等多个维度，全方位剖析该方案如何实现超低损耗与高可靠性，从而满足一级能效与恶劣工况下的长期运行需求。

2. 充电模块架构与器件选型匹配度分析

超大功率充电模块（通常单模块功率在60kW至100kW以上）的核心挑战在于处理极高的电流密度同时维持极低的热损耗。选用的SiC器件方案展现了对系统电压应力与损耗分布的深刻理解。

2.1 前级三相Vienna整流器的器件应力分析

Vienna整流器因其三电平特性，开关管承受的电压仅为直流母线电压的一半。在800V DC母线系统中，开关管承受电压约为400V。

  • MOSFET选型逻辑： 选用 B3M010C075Z 是极具针对性的设计。该器件额定电压为750V ，相比传统的650V器件，提供了额外的100V安全裕量，能够更从容地应对电网侧的浪涌与母线电压波动。同时，其超低的导通电阻（10mΩ）显著降低了在大电流输入下的导通损耗，这是实现满载高效率的关键。
  • 二极管选型逻辑： Vienna拓扑中，输入侧二极管在特定扇区需承受全母线电压。因此，选用 B3D80120H2（1200V）提供了必要的耐压等级 1，防止在PFC升压过程中发生雪崩击穿。

2.2 后级LLC谐振变换器的器件应力分析

LLC级负责电气隔离与宽范围电压调节。原边开关管需承受全母线电压，副边整流管则需应对输出电池电压（最高可达1000V）。

  • 原边MOSFET： B3M013C120Z（1200V）不仅满足耐压要求，其13.5mΩ的极低导通电阻 有效抑制了谐振槽路中大循环电流带来的I²R损耗。
  • 副边整流： 在高压输出（800V-1000V）场景下，传统的同步整流（SR）控制复杂且存在死区直通风险。采用 B3D80120H2 SiC肖特基二极管，利用其零反向恢复特性，即便在非谐振频率点（如电池电压剧烈变化时）也能杜绝反向恢复带来的巨大损耗与电压尖峰。

3. 前级AC-DC核心器件深度技术评测

前级PFC的性能直接决定了电网侧的THD（总谐波失真）与功率因数，同时其损耗占比通常是整个模块中最大的部分。


3.1 维也纳整流横管：B3M010C075Z (750V SiC MOSFET)

该器件属于基本半导体第三代SiC MOSFET技术平台，专为高性能电源转换设计。

3.1.1 静态特性与导通损耗机制

根据器件规格书 1，B3M010C075Z 在 VGS​=18V 时的典型导通电阻（RDS(on)​）仅为 10mΩ。

  • 高温稳定性： 极为关键的是，在结温升高至 175∘C 时，其 RDS(on)​ 仅上升至约 12.5mΩ。这种极低的正温度系数（相比硅器件通常翻倍的特性）意味着在满载高温工况下，导通损耗仅增加约25%。这对于“超大功率”模块的热稳定性至关重要，防止了热失控的正反馈循环。
  • 电流能力： 在 TC​=25∘C 时，连续漏极电流 ID​ 高达 240A；即使在 100∘C 壳温下，仍能流过 169A。这为30kW-60kW模块的设计提供了充足的电流裕量，允许单管处理极大功率，减少了并联需求，提升了功率密度。

3.1.2 动态特性与开关损耗优化

Vienna拓扑通常工作在40kHz-100kHz的高频硬开关状态，开关损耗是主要热源。

栅极电荷（Qg​）： 总栅极电荷仅为 220nC 。对于一颗240A级别的器件，这一数值极低，意味着驱动电路的功耗更小，且开关速度更快。

开关能量（Esw​）： 在 500V/80A 的测试条件下，开通能量 Eon​ 为 910μJ，关断能量 Eoff​ 为 625μJ。单次开关总损耗仅约 1.53mJ。

  • 应用推演： 假设工作频率为50kHz，单管的开关损耗功率 Psw​≈1.53mJ×50kHz≈76.5W。配合其超低的导通电阻，该器件能够在不依赖极其庞大的散热器的前提下，支撑起前级的高频高效运行，从而减小PFC电感的体积。

3.1.3 阈值电压与抗干扰能力

VGS(th)​ 典型值为 2.7V（TJ​=25∘C）。较高的阈值电压显著增强了系统在复杂的电磁干扰环境下的鲁棒性，防止了由于米勒效应或地弹噪声引起的误导通（Shoot-through），这对于大功率高di/dt应用场景是重要的安全保障。

3.2 维也纳整流二极管：B3D80120H2 (1200V SiC SBD)

作为PFC回路中的续流元件，B3D80120H2 的性能直接影响MOSFET的开通损耗。

3.2.1 零反向恢复特性与系统级效益

SiC SBD是单极器件，理论上不存在反向恢复电荷（Qrr​≈0）。规格书显示其总电容电荷 Qc​ 仅为 456nC 。

  • 对MOSFET的保护： 在MOSFET开通瞬间，如果二极管存在反向恢复电流（如Si FRD），该电流会叠加在MOSFET的开通电流上，导致巨大的电流尖峰和Eon​损耗。采用B3D80120H2彻底消除了这一机制，使得B3M010C075Z能够以极低的损耗实现硬开关开通，显著降低了EMI噪声源。

3.2.2 正向压降与并联优势

B3D80120H2 在80A额定电流下的正向压降 VF​ 为 1.46V（25∘C），高温下升至 2.06V 。

  • 正温度系数： VF​ 随温度升高而增加的特性使得该器件非常适合并联使用。在大功率模块中，通常需要两颗二极管并联以分担电流。由于正温度系数的存在，电流会自动向温度较低（阻抗较低）的路径偏移，从而实现自然的均流，无需额外的均流电路，极大简化了PCB布局。

3.2.3 浪涌电流耐受能力

充电桩在启动或电网波动时会面临浪涌冲击。B3D80120H2 具有高达 640A 的非重复正向浪涌电流能力（IFSM​,tp​=10ms）。这一强悍的抗冲击能力确保了在电网异常情况下的器件生存率，提升了整机的可靠性。

4. 后级DC-DC核心器件深度技术评测

LLC级通过软开关技术实现高效率，但对器件的寄生参数和体二极管性能有特殊要求。

4.1 LLC开关管：B3M013C120Z (1200V SiC MOSFET)

该器件选用了TO-247-4封装，是追求极限性能的体现。

4.1.1 封装寄生参数优化：凯尔文源极（Kelvin Source）

B3M013C120Z 采用了 TO-247-4 封装 。

  • 机制分析： 传统的TO-247-3封装中，源极引脚同时承载主功率回路的大电流和栅极驱动回路的参考电位。大电流变化（高 di/dt）会在源极引线电感上产生感应电压，削弱实际加在芯片栅源极上的驱动电压，限制开关速度并增加损耗。
  • 凯尔文源极优势： Pin 3 作为凯尔文源极专门用于栅极驱动回路，Pin 2 作为功率源极。这种物理上的解耦消除了公共源极电感的影响，使得器件能够实现极快的开关瞬态（tr​ 仅为 37ns，甚至快于电压较低的器件），从而大幅降低开关损耗，即使在1200V高压应用中也能实现数百kHz的开关频率。

4.1.2 输出电容 (Coss​) 与ZVS设计

LLC变换器的软开关（ZVS）依赖于磁化电流在死区时间内抽取开关管输出电容上的电荷。

  • 参数解读： 数据显示在 800V 时，Coss​ 为 215pF，存储能量 Eoss​ 约为 90μJ 。
  • 设计指导： 较低的 Coss​ 意味着实现ZVS所需的励磁能量更小。设计者可以选用较大的励磁电感（Lm​），从而减小变压器原边的循环电流，进一步降低MOSFET的导通损耗和磁性元件的磁损，这对于提升轻载效率（往往是充电桩能效认证的难点）至关重要。

4.1.3 竞品对比与性能定位

在基本半导体提供的对比数据中 ，B3M040120Z（同系列40mΩ版本）与国际一线品牌（如Cree C3M系列、Infineon IMZA系列）进行了详细对标。

  • FOM优势： 基本半导体的第三代工艺在 RDS(on)​×Qg​（品质因数FOM）上表现优异。相比传统的平面栅技术，其在单位面积导通电阻降低的同时，并未显著增加栅极电荷。
  • 开关速度： 对比测试波形显示，B3M系列的开通延时 td(on)​ 和上升时间 tr​ 与行业标杆处于同一水平甚至更优（如 td(on)​ 约为12.4ns）1，证明了其在高频应用中的顶级水准。

4.2 LLC输出整流：B3D80120H2的应用考量

在LLC副边，虽然同步整流（SR）MOSFET导通损耗更低，但在超高压输出（1000V）场景下，SiC SBD方案具有不可替代的可靠性优势。

  • 高压安全： 1000V输出工况下，SR MOSFET的驱动时序极难控制，一旦发生死区直通将导致炸机。采用 B3D80120H2 二极管整流方案完全规避了直通风险，且无需复杂的驱动电路，提升了系统的整体MTBF（平均无故障时间）。
  • 热管理能力： 通常认为二极管损耗大（P≈VF​×I）。然而，B3D80120H2 采用了先进的 银烧结（Silver Sintering） 工艺 ，将其结到壳热阻 Rth(j−c)​ 降低至惊人的 0.20 K/W。这意味着即使耗散100W的功率，芯片内部温升也仅为20°C，极大缓解了散热设计的压力，使得二极管方案在大电流下依然可行。

5. 可靠性物理与环境适应性论证

充电桩通常安装在户外，面临高温、高湿、冷热冲击等恶劣环境。基于 1提供的可靠性测试报告，本方案选用的器件展现了极高的环境耐受力。

5.1 银烧结工艺的可靠性增益

报告明确指出，B3M013C120Z 与 B3D80120H2 均应用了 银烧结技术 。

  • 物理机制： 相比传统焊料，烧结银层的熔点高达960°C，且热导率是焊料的5倍以上。
  • 寿命提升： 这种连接技术消除了功率循环中常见的焊料层疲劳和空洞扩展问题。在IOL（间歇工作寿命）测试中，器件经历了15000次 ΔTj​≥100∘C 的剧烈热循环而无失效 ，证明了其能够承受电动汽车频繁启停充电带来的热冲击。

5.2 高压高湿反偏（H3TRB）测试解读

H3TRB（85°C, 85% RH, 高压偏置）是检验SiC器件钝化层质量和抗离子迁移能力的“金标准”。

  • 测试结果： B3M013C120Z 在 VDS​=960V（额定电压的80%）条件下通过了1000小时测试 。
  • 现实意义： 许多早期SiC器件在高湿环境下会出现漏电流剧增甚至击穿。通过此项严苛测试，表明该器件非常适合在沿海、热带雨林等高湿地区的充电站使用，无需对模块进行极其昂贵的完全灌胶密封，降低了系统成本。

5.3 栅极氧化层可靠性（TDDB）

SiC MOSFET的栅氧可靠性一直是行业关注焦点。基本半导体的TDDB数据 1 显示，其器件在推荐驱动电压下（VGS​=18V），预测寿命超过 2×109 小时，失效率极低。这意味着在充电桩10-15年的设计寿命周期内，器件不会因为栅氧老化而失效。

6. 系统能效与损耗预算综合分析

为实现“一级能效”，整个模块在半载及满载下的损耗预算极其紧张。

6.1 损耗分布估算

  • Vienna PFC级： 采用10mΩ的B3M010C075Z，假设输入电流为50A，导通损耗 Pcond​≈502×0.01=25W。结合软开关特性的开关损耗，单相总损耗可控制在极低水平，PFC级效率有望突破98.5%。
  • LLC DC-DC级： 原边13.5mΩ MOSFET损耗极低。副边二极管损耗是主要瓶颈。假设输出电流80A，二极管压降1.6V，损耗约128W。在输出800V/64kW时，这仅占输出功率的0.2%。
  • 总效率预测： 考虑到磁性元件和线路损耗，整机峰值效率完全有能力达到 96.5% - 97.0% ，稳居一级能效标准。

6.2 800V架构的天然优势

本方案选用的1200V器件组合特别适合 800V电压平台 的车辆充电。相比400V系统，在相同功率下，800V系统的电流减半，MOSFET的 I2R 损耗降至四分之一；同时二极管的 VF​ 压降占比也减半。因此，该器件组合在服务新一代高压车型时，能效表现将达到最优。

7. 结论与设计建议


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。

 


综上所述，采用 B3D80120H2、B3M010C075Z 和 B3M013C120Z 打造的超大功率充电模块方案，在理论计算和实测数据层面均表现卓越。

核心结论：

  1. 参数匹配精准： 750V MOSFET与1200V MOSFET的混合使用，完美契合了Vienna+LLC拓扑的电压分布特性，在成本与性能之间取得了最佳平衡。
  2. 热设计鲁棒： 银烧结技术的全面应用，解决了SiC器件芯片面积小、热流密度大的物理局限，是实现超大功率密度的物理基础。
  3. 可靠性验证充分： 详尽的H3TRB、HTRB及TDDB数据消除了SiC器件在户外长期使用的质量顾虑。

设计建议：

  • 驱动设计： 建议利用TO-247-4的凯尔文源极，采用带有米勒钳位功能的隔离驱动器，驱动电压设定为推荐的 −5V/+18V ，以确保高速开关下的抗干扰能力。
  • 布局优化： 鉴于器件极高的开关速度（dv/dt>50V/ns），PCB布局需严格控制功率回路电感，并加强栅极驱动回路的屏蔽，以通过EMC测试。

该方案不仅在技术参数上满足了一级能效的要求，更在工程可靠性上为充电桩制造商提供了一个经过验证的、低风险的高性能解决方案。

8. 附录：关键数据表与对比参数

表 1: B3M010C075Z (Vienna MOSFET) 关键特性

 

参数测试条件典型值单位备注漏源击穿电压VGS​=0V,ID​=100μA750V高于常规650V，安全裕量大导通电阻 RDS(on)​TJ​=25∘C10mΩ极低阻抗导通电阻 RDS(on)​TJ​=175∘C12.5mΩ优异的高温稳定性连续漏极电流TC​=100∘C169A大电流能力总栅极电荷 Qg​VDS​=500V220nC易于驱动

表 2: B3M013C120Z (LLC MOSFET) 关键特性

 

参数测试条件典型值单位备注导通电阻 RDS(on)​TJ​=25∘C13.5mΩ1200V等级中的领先水平输出电容 Coss​VDS​=800V215pF利于ZVS设计反向传输电容 Crss​100kHz14pF极低的米勒电容热阻 Rth(j−c)​-0.20K/W银烧结工艺

表 3: 可靠性测试结果概览 (B3M013C120Z)

 

测试项目条件持续时间/次数结果 (失效/样本)HTRB (高温反偏)175∘C,1200V1000 hrs0/77 (Pass)H3TRB (高温高湿)85∘C,85%RH,960V1000 hrs0/77 (Pass)IOL (间歇工作寿命)ΔTj​≥100∘C15000 cycles0/77 (Pass)TC (温度循环)−55∘C∼150∘C1000 cycles0/77 (Pass)

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