随着光伏发电系统、能源存储、电车充电、电机驱动等市场需求的快速增加，该领域所用高压辅助电源的性能要求及需求量也在不断提升。针对高压辅助电源应用场景，三安半导体推出的新型第三代功率器件1700V/1Ω SiC MOSFET (SMS1701000K)，最大导通电流达到6.8A，同比其它产品具有更低的导通电阻RDS(on)、更少的开关电荷损耗Eoss以及更小的漏极泄漏电流IDSS。助力高压辅助电源系统产品往高可靠性、小型化、高效化、低成本方向快速推进。
在千伏级高压反激辅助电源的应用场景中，系统对其功率器件的耐压等级提出了更高的要求。采用1700V/1Ω SiC MOSFET作为功率开关管，系统拓扑得以简化成单管反激结构，所需MOS元件数量减少，有效提高了系统的可靠性；SiC MOSFET的开关频率更高，所需无源元件的体积更小，能够提高系统的功率密度；系统中功率器件的开关损耗和导通损耗都有显著降低，系统效率获得了优化提升；器件损耗产生的热量更少，进一步降低了系统热管理成本。
图1所示为三安半导体自主设计的1700V SiC MOSFET高压辅助电源设计参考板，对应参考板电路拓扑简图如图2所示。该参考板主要由功率主板和可拆卸式功率子板构成，可用于快速评估SiC MOSFET功率器件在光伏、储能、车载、电驱等高压应用场合下的性能。
图1 参考板实物图
图2 参考板拓扑简图
参考板所用SiC MOSFET器件为三安半导体的SMS1701000K，如图3所示，封装形式为TO-247-3L，该器件具有极低的反向恢复电荷Qrr以及Qgd电荷，在高频开关动作下的速度更快、开关损耗更小，同时较小的RDS(on)也降低了器件的导通损耗，由此进一步提高了系统的工作效率。得益于器件更高的VDS耐压，基于该SiC MOSFET器件所设计的系统将具备更宽的工作电压范围，满足辅助电源的高压输入要求。
图3 1700V/1Ω SiC MOSFET SMS1701000K
参考板采用准谐振控制的反激电路，直流输入电压覆盖300V~1000V宽电压范围，直流输出电压24V，最大输出功率65W，满足常规高压辅助电源的工况需求。图4展示了参考板在直流输入电压分别为300V、600V和900V的条件下，不同输出功率对应的效率变化曲线。其中300V下最高效率达91.1%，600V下最高效率达89.9%，900V下最高效率达87.5%。图5所示为满载65W功率输出时，不同直流输入电压对应的系统效率变化情况，由图可知，随着输入母线电压的提升，系统的整体效率值呈现略微下降趋势。
图4 不同输出功率对应的效率曲线
图5 不同输入电压对应的满载效率
如下图6为高压辅助电源系统在直流输入300V，满载输出65W的工作波形，图7为直流输入1000V，满载输出65W的工作波形。其中Ch1（棕色）为SiC MOSFET的Vgs电压，Ch2（浅蓝色）为变压器原边电流，Ch3（红色）为变压器副边电流，Ch4（绿色）为SiC MOSFET的Vds电压，Ch5（橙色）为辅助绕组电压，Ch6（深蓝色）为整流二极管电压。在300V到1000V输入电压段，SiC MOSFET均表现出优异的开关特性，满足高压辅助电源的性能需求。
图6 直流输入300V，满载输出工作波形
图7 直流输入1000V，满载输出工作波形
参考板的功率子板采用铝基板材，铝基板良好的导热性能能够快速耗散SiC MOSFET和其它功率元器件产生的热量，显著降低对应元器件的工作温升。系统工作时采用自然冷却方式而无需额外增设散热器，进一步降低系统的热管理成本。图8所示为直流输入900V时，满载输出65W对应的器件温度热成像，环境温度为22.4℃。图9所示为在最高直流输入1000V时，即使在满载65W的输出情况，同样环温下测得SiC功率器件温度仍不高于92℃。
图8 直流输入900V，满载65W时SiC器件温度
图9 直流输入1000V，满载65W时SiC器件温度
三安半导体在SiC功率器件的技术革新上深耕研发，不断迭代优化器件性能，致力于提供满足客户各类需求的优质产品。三安半导体SMS1701000K的优异性能将助力高压反激电源系统往高效化、小型化以及低成本方向快速迭代发展，推动光伏、储能、车载、电驱等领域大规模应用碳化硅的技术转型。
