在當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域，隨著設(shè)備智能化、高效化發(fā)展，對輔助電源的性能要求日益嚴(yán)苛。傳統(tǒng)輔助電源在面對高電壓、高功率密度以及節(jié)能需求時逐漸力不從心，而碳化硅(SiC)技術(shù)的興起，為工業(yè)設(shè)備輔助電源驅(qū)動提供了創(chuàng)新且高效的解決方案。

工業(yè)設(shè)備輔助電源現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

在工業(yè)設(shè)備中，輔助電源負(fù)責(zé)為控制系統(tǒng)、傳感器、通信模塊等提供穩(wěn)定的電源電壓，盡管其功率相對主電源較小，但卻是保障設(shè)備穩(wěn)定運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前，許多工業(yè)設(shè)備輔助電源仍采用耐壓較低的 Si - MOSFET 和損耗較大的 IGBT。以交流 400V 級工業(yè)設(shè)備為例，這類傳統(tǒng)功率器件在面對較高電壓時，存在較大的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，不僅降低了電源轉(zhuǎn)換效率，還需要較大的散熱裝置，導(dǎo)致設(shè)備體積增大、成本上升。此外，隨著工業(yè)設(shè)備朝著小型化、集成化方向發(fā)展，傳統(tǒng)輔助電源在空間利用和可靠性方面也面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，在工廠自動化生產(chǎn)線中，大量的設(shè)備需要輔助電源供電，傳統(tǒng)電源的高損耗和不可靠性會增加整個系統(tǒng)的能耗和維護(hù)成本，甚至可能因局部故障影響整個生產(chǎn)線的運行。

SiC 技術(shù)優(yōu)勢

SiC 作為第三代半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)的硅材料相比，具有顯著的性能優(yōu)勢。首先，SiC 材料的禁帶寬度約為硅的 3 倍，這使得 SiC MOSFET 能夠承受更高的電壓，如 1700V 耐壓的 SiC MOSFET 已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，有效滿足了高壓應(yīng)用場景的需求。其次，SiC 的電子飽和漂移速度是硅的 2 倍，熱導(dǎo)率是硅的 3 倍，這賦予了 SiC MOSFET 極低的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗，其導(dǎo)通損耗可降低至傳統(tǒng)硅器件的 1/10，開關(guān)損耗降低約 50% 。較低的損耗意味著更高的功率轉(zhuǎn)換效率，能夠在減少能源消耗的同時，降低散熱要求，有助于實現(xiàn)設(shè)備的小型化和輕量化。再者，SiC MOSFET 具有出色的高溫穩(wěn)定性，可在高達(dá) 175℃的結(jié)溫下穩(wěn)定工作，相比硅基器件，大大拓寬了工作溫度范圍，提高了設(shè)備在惡劣環(huán)境下的可靠性。

SiC 電源解決方案詳解

工作原理

以常見的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器為例，在基于 SiC 的電源解決方案中，輸入的交流電首先經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)換為直流電，接著通過由 SiC MOSFET 構(gòu)成的開關(guān)電路進(jìn)行高頻斬波。SiC MOSFET 憑借其快速的開關(guān)速度和低損耗特性，能夠?qū)⒅绷麟妷簲夭ǔ筛哳l脈沖電壓，再經(jīng)過變壓器進(jìn)行電壓變換和電氣隔離，最后通過整流濾波電路得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，為工業(yè)設(shè)備的輔助電路供電。在這個過程中，SiC MOSFET 的高速開關(guān)特性使得開關(guān)頻率得以大幅提高，一般可達(dá)到數(shù)百 kHz 甚至更高，相較于傳統(tǒng)電源方案，顯著減小了變壓器、電感和電容等無源元件的尺寸和重量，同時提高了電源的動態(tài)響應(yīng)性能。

關(guān)鍵元件與設(shè)計

SiC MOSFET：是整個解決方案的核心元件。例如 Wolfspeed 推出的 C3M0900170x 和 E3M0900170x 系列 1700V SiC MOSFET，其柵極電荷量大幅降低，從同類產(chǎn)品的 22nC 降至僅 10nC，輸出電容減少使得 Eoss(輸出能量)降低了 30%，有效減少了開關(guān)損耗，提升了系統(tǒng)效率。此外，該系列產(chǎn)品具備出色的即插即用兼容性，能無縫集成到大多數(shù)現(xiàn)有的低功耗輔助電源設(shè)計中，方便工程師進(jìn)行設(shè)計升級。

柵極驅(qū)動電路：由于 SiC MOSFET 的特性與傳統(tǒng)硅基器件不同，需要專門設(shè)計的柵極驅(qū)動電路來優(yōu)化其性能。如 ROHM 針對工業(yè)設(shè)備輔助電源應(yīng)用優(yōu)化了柵極驅(qū)動器 IC 的規(guī)格，通過精確控制 SiC MOSFET 的柵極電壓和電流，確保其在快速開關(guān)過程中的穩(wěn)定性和可靠性，避免了因驅(qū)動不當(dāng)導(dǎo)致的器件損壞和性能下降。并且，該柵極驅(qū)動電路與 SiC MOSFET 的集成設(shè)計，減少了外部元件數(shù)量，降低了寄生參數(shù)的影響，進(jìn)一步提高了電源系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。

變壓器與其他無源元件：配合 SiC MOSFET 的高頻工作特性，變壓器等無源元件也需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。采用高頻磁芯材料和優(yōu)化的繞組結(jié)構(gòu)，能夠降低變壓器的體積和損耗。同時，選用低 ESR(等效串聯(lián)電阻)的電容和高飽和電流的電感，以適應(yīng)高頻、大電流的工作條件，保證電源輸出的穩(wěn)定性和可靠性。

實際應(yīng)用案例

在某大型工業(yè)自動化工廠中，其生產(chǎn)線的電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)的輔助電源采用了基于 SiC 的電源解決方案。原有的輔助電源使用傳統(tǒng)的 Si - MOSFET，效率僅為 78% 左右，且發(fā)熱嚴(yán)重，需要龐大的散熱系統(tǒng)。更換為 SiC 電源解決方案后，采用了英飛凌 1700V CoolSiC? SiC MOSFET 的單管反激拓?fù)?，功率轉(zhuǎn)換效率提升至 85% 以上。不僅顯著降低了能耗，而且由于 SiC MOSFET 的低損耗特性，散熱需求大幅減少，使得輔助電源的體積縮小了約 30% ，同時提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了因電源故障導(dǎo)致的生產(chǎn)線停機(jī)時間，為工廠帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

未來發(fā)展趨勢

隨著工業(yè) 4.0 和智能制造的深入推進(jìn)，工業(yè)設(shè)備對輔助電源的要求將不斷提高。SiC 電源解決方案在未來將朝著更高功率密度、更高效率以及更高可靠性方向發(fā)展。一方面，通過進(jìn)一步優(yōu)化 SiC 材料的性能和制造工藝，降低器件成本，提高市場競爭力，推動 SiC 電源解決方案在更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用。另一方面，隨著數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展，將 SiC 電源與智能控制算法相結(jié)合，實現(xiàn)電源的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和故障診斷功能，進(jìn)一步提升工業(yè)設(shè)備的智能化水平。例如，利用人工智能算法實時監(jiān)測電源的運行狀態(tài)，根據(jù)負(fù)載變化動態(tài)調(diào)整電源參數(shù)，以達(dá)到最佳的能效比和穩(wěn)定性。