前 言

在工商業(yè)儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)儲能PCS中的應用，并通過仿真數(shù)據(jù)和實際案例，展示其在高溫、滿負載（同時滿足120%負載要求）環(huán)境下的優(yōu)異表現(xiàn)。

一、125kW工商業(yè)儲能PCS主流解決方案

工商業(yè)儲能系統(tǒng)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(yè)PCS應用的仿真數(shù)據(jù)

基本半導體的碳化硅MOSFET半橋PcoreTM2E2B模塊BMF240R12E2G3在125kW工商業(yè)儲能PCS中表現(xiàn)出色。通過仿真數(shù)據(jù)，可以看到其在高溫、高負載環(huán)境下的優(yōu)異性能。

1、仿真條件--BMF240R12E2G3不并聯(lián)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(jiān)控U相，V相，W相中其中一橋臂的碳化硅MOSFET，此次仿真監(jiān)控藍色框內的碳化硅MOSFET。

3、結溫和損耗仿真數(shù)據(jù)--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(yōu)秀特性帶來的結果。

4、結溫和損耗仿真數(shù)據(jù)--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(shù)據(jù)--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(yè)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(yè)模塊

產品亮點

低導通電阻，高溫RDS(on)表現(xiàn)優(yōu)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(yè)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(yōu)勢。

2）BMF240R12E2G3采用芯片內嵌碳化硅SBD二極管給系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢

可實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(lián)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(shù)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(xiàn)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(tài)參數(shù)對比

a. 根據(jù)靜態(tài)特性，BMF240R12E2G3 在 BVDSS、VGS(th)、VSD、Crss 方面表現(xiàn)出色，優(yōu)于其他同行產品。

b. 漏電IGSS 和開啟電壓VGS(th) 參數(shù)

c. RDS(ON) 參數(shù)

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(tài)參數(shù)對比

a. 電容參數(shù)

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(yōu)異，都優(yōu)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(yōu)秀的一項動態(tài)特性。

d. 高溫和低溫，體二極管的Qrr和Err的性能優(yōu)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(shù)值相比常溫（Tj=25℃）時的數(shù)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(fā)，在比導通電阻、品質系數(shù)因子FOM、開關損耗以及可靠性等方面表現(xiàn)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(fā)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(fā)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(huán)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(huán)的全橋拓撲（H橋逆變），輸出功率可達6W, 輸出經過電阻和穩(wěn)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(xiàn)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(wěn)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(xiàn)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(yè)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(yōu)異的性能和可靠性，成為125kW工商業(yè)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(tǒng)中的應用將更加廣泛，推動整個行業(yè)向高效、高可靠的方向發(fā)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(chuàng)新企業(yè)，專業(yè)從事碳化硅功率器件的研發(fā)與產業(yè)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(fā)中心和制造基地。公司擁有一支國際化的研發(fā)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(yè)大學、瑞士聯(lián)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(fā)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(yè)鏈關鍵環(huán)節(jié)，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(yè)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(yè)控制、智能電網等領域的全球數(shù)百家客戶。

基本半導體是國家級專精特新“小巨人”企業(yè)，承擔了國家工信部、科技部及廣東省、深圳市的數(shù)十項研發(fā)及產業(yè)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(fā)中心，是國家5G中高頻器件創(chuàng)新中心股東單位之一，獲批中國科協(xié)產學研融合技術創(chuàng)新服務體系第三代半導體協(xié)同創(chuàng)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。