SiC MOSFET 在电动汽车充电器、光伏逆变器等多个领域逐渐获得广泛应用，主要得益于其卓越的开关速度、高效率和良好的热性能。尽管 SiC MOSFET 在不同功率范围内表现优异，但为了精准展示其潜力，合理的损耗建模至关重要。

SiC MOSFET 的挑战与解决方案

尽管商用 SiC MOSFET 具有很多优势，其额定电流通常约为 120 A。在高功率应用中，为了满足必要的性能要求，通常需要并联多个分立器件或使用电源模块。选择分立器件或电源模块时，需要综合考虑性能、成本、尺寸及可靠性等因素。

• 电源模块：由于其高度集成，电源模块具有较好的杂散电感、优越的绝缘性和出色的热性能。然而，这些优点也伴随较大的尺寸和较高的成本。

• 并联分立器件：相比之下，使用并联分立器件能够实现更加紧凑且具成本效益的设计。通过在半导体制造商的产品组合中选择合适的电流额定值，还能避免因过度设计而可能引发的性能问题。

然而，采用并联分立器件时，最大的挑战在于需要精心设计对称的电源和驱动布局，以确保电流均匀分布。如果布局不对称，SiC MOSFET 的制造公差（如阈值电压和导通电阻的变化）可能导致电流不平衡，进而影响传导和开关损耗。特别是开关损耗对驱动布局设计非常敏感。

DAB 转换器架构的设计

为了应对上述挑战，提出了一种采用并联 SiC MOSFET 的 DAB（Dual Active Bridge）转换器架构。该设计专门用于管理高达 25 kW 的功率容量，输入/输出电压范围为 300 至 600 V，工作开关频率为 100 kHz。

DAB 架构的特点

• 全桥结构：DAB 转换器的功率部分采用全桥结构，其中输入和输出端口的每个开关并联连接三个 SiC MOSFET。所采用的器件是 Infineon Technologies 的 IMZ120R030M1H 型。

• 对称栅极驱动布局：为了确保并联 SiC MOSFET 之间的电流均匀分布，DAB 转换器采用了对称的栅极驱动布局，确保栅极驱动路径具有相等的走线长度和一致的寄生参数。这样的设计有效减少了驱动不对称可能导致的电流不平衡。

• 模块化设计：栅极驱动板和电源部分采用模块化设计，便于断开连接并进行不同驱动解决方案的评估。

• 高性能电容器：直流母线电容器采用薄膜与多层陶瓷（MLC）混合技术，能够处理高额定电流并提升开关性能。MLC 电容器被放置在 SiC 器件附近，减少了杂散电感。

• 预充电电路：电源部分集成了预充电电路，能够为直流母线电容器安全充电，防止出现高浪涌电流。

驱动与测量部分

DAB 转换器的驱动部分采用单个栅极驱动器控制每个开关的所有三个并联 SiC MOSFET。栅极驱动器基于 Analog Devices Inc.（ADI）的评估板 MAX22701E，该板具有超高共模瞬态抗扰度和集成数字电流隔离的特点，能为驱动解决方案提供灵活性，同时保持一致的电源部分设计。

• 测量部分：DAB 转换器的测量部分负责监控电压、电流和温度，以确保系统正常运行并提供故障保护。大多数测量组件来自 ADI，包括用于电压和电流测量、温度监控和栅极驱动器操作的组件。

• 控制部分：控制部分采用 STMicroelectronics 的 STM32G484 微控制器进行定制设计，采用基于相移调制的开环控制系统管理转换器。控制部分通过屏蔽电缆连接，减少电磁干扰。定制的 MATLAB 工具与微控制器连接，允许调整开关频率、功率流方向、死区时间和相移等控制参数。

性能分析

DAB 转换器的性能分析包括低功率（高达 5 kW）和高功率（25 kW）测试，重点评估电气和热性能。

实验设备

• 电源：包括两个可编程直流双向电源，用于为 DAB 转换器的输入和输出端口供电。

• 功率分析仪：用于计算输入/输出功率和整体效率。

• 示波器：用于电压和电流的高频测量。

• 热成像设备：使用两个热像仪监控散热器上的热梯度。

• 温度传感器：NTC 热敏电阻记录 SiC 器件的温度。

低功率测试

低功率测试的主要目标是评估并联 SiC MOSFET 之间的热分布。DAB 转换器在 5 kW 的功率下运行，此时无需强制冷却，能够准确监控热梯度。在测试中，输入和输出电压变化范围为 450 至 500 V。

结果表明，三并联器件的栅源电压匹配良好，确认了对称布局的有效性。热成像显示，三并联 SiC MOSFET 之间的温度差异非常小，20 分钟后温度梯度仅为 2°C，表明对称设计有效平衡了热应力和电应力。

高功率测试

在 25 kW 输出功率下，DAB 转换器继续表现良好。由于热限制，高功率测试的时间较短，测试终止于 SiC 器件达到 70°C 的温度。即使在较高功率下，栅极驱动信号依旧稳定，无明显的热不平衡或不对称，温度梯度保持在可接受的范围内。

结论

基于 SiC 的 25 kW DAB 转换器的性能分析证明了在中等功率应用中使用并联 SiC MOSFET 的可行性。通过对称的栅极驱动布局，能够确保并联器件之间的电流均匀分布，从而减少热失衡和电气失衡的风险。低功率和高功率测试均验证了设计的有效性，表明该转换器能够在多种条件下高效、可靠地运行。这项研究展示了分立解决方案在中等功率应用中的潜力，为电源模块提供了一种经济、高效且灵活的替代方案。