倾佳电子基于碳化硅（SiC）的双向非隔离式Buck-Boost电源设计报告：储能与数据中心应用深度分析

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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，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN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！

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1. 引言：能源转型与算力时代的电源挑战

当前，全球正处于一场深刻的能源结构转型之中，可再生能源如太阳能和风能的渗透率持续攀升。然而，这类能源固有的间歇性与波动性对电网的稳定性构成了挑战。与此同时，以人工智能（AI）为核心的新一代信息技术正驱动着数据中心产业的爆炸式增长。大型语言模型（LLM）的训练对电力需求巨大，未来超大规模数据中心互联设施的电力需求可能高达300text{ MW}至1000text{ MW}或以上，对现有电网的电力供应能力造成了前所未有的压力 。在这一背景下，对能够实现高效、高功率密度、高可靠性、且具备双向能量流动的电源转换解决方案的需求变得前所未有的迫切。

传统的硅（Si）基功率器件，如绝缘栅双极晶体管（IGBT），由于其物理特性限制，在面对高频、高温和高压应用时显得力不从心 。它们通常伴随着较高的开关损耗和传导损耗，导致效率低下，并需要庞大而笨重的散热系统。第三代半导体材料碳化硅（SiC）的出现，为解决这些挑战提供了关键技术路径。SiC具有比硅宽三倍的禁带宽度、高十倍的击穿电场强度和高三倍的热导率 。这些优越的材料特性使其成为制造新一代功率器件的理想选择，能够显著降低系统能耗、提升能量转换效率、并实现电源模块的小型化。

倾佳电子将围绕基本半导体（BASiC Semiconductor）的B3M013C120Z SiC MOSFET，深入剖析其核心技术特性，并结合非隔离式双向Buck-Boost电路拓扑和交错并联（Interleaving）技术，系统性地论证该设计方案在储能和数据中心领域所具备的独特技术优势与广阔发展前景。倾佳电子将从器件、拓扑、系统集成和应用前景四个层面进行深度分析。

2. 核心器件技术剖析：B3M013C120Z SiC MOSFET

B3M013C120Z是一款专为高功率应用设计的1200V SiC MOSFET，其技术参数和封装特性为实现高能效、高功率密度电源提供了坚实基础。

2.1. 基本参数与性能概览

该器件的核心参数在数据手册中得到详细呈现，为后续的性能分析提供了量化依据。该SiC MOSFET的额定耐压为1200V，在TC​=25∘C时连续漏极电流可达180A。其在VGS​=18V、ID=60 A条件下的典型导通电阻为13.5mΩ 。

表1: B3M013C120Z SiC MOSFET核心参数速查表
参数
额定漏-源电压 (VDS​)
连续漏极电流 (ID​, TC​=25∘C)
导通电阻 (RDS(on)​)
结-壳热阻 (Rth(j−c)​)
开通能量 (Eon​, ID​=60A, TJ​=175∘C)
关断能量 (Eoff​, ID​=60A, TJ​=175∘C)
封装类型

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与传统的硅基IGBT或MOSFET相比，SiC器件的优势在于其低导通损耗和极低的开关损耗。在相同的电流和电压等级下，SiC MOSFET能够实现显著的效率提升，特别是在高频应用中。

表2: SiC与传统Si器件关键性能对比
特性
开关速度
开关损耗
导通电阻
热导率
耐温性
系统级优势

2.2. 核心技术特性深度解读

B3M013C120Z的卓越性能并非偶然，其背后是多项先进技术的集成应用，这些技术共同作用，解决了传统功率器件设计的固有瓶颈。

2.2.1. 低导通电阻与低开关损耗

B3M013C120Z在TC​=25∘C下的典型导通电阻为13.5mΩ，这直接决定了器件在导通状态下的传导损耗。传导损耗（Pcond​）与流经器件的电流平方和导通电阻成正比，即Pcond​=ID,rms2​⋅RDS(on)​。在实际应用中，由于器件内部温升，导通电阻通常会随着结温升高而增大。该器件在TJ​=175∘C时，导通电阻也仅为23mΩ（ID​=60A），相对较低的温度系数确保了高效率在高负载下的维持 。

除了传导损耗，开关损耗是决定高频电源转换效率的另一关键因素。B3M013C120Z的开关能量，例如在VDC​=800V、ID​=60A、TJ​=175∘C的典型工作条件下，使用SiC SBD作为续流二极管时的开通能量（Eon​）和关断能量（Eoff​）分别为880text{ }mutext{J}和660text{ }mutext{J} 。总开关损耗（ Psw​）与开关能量和开关频率成正比，即Psw​=(Eon​+Eoff​)⋅fsw​ 。得益于SiC材料的宽禁带和高载流子迁移率，该器件的开关速度极快，且开关能量远低于同等规格的硅器件，这使得设计者可以将开关频率大幅提升至数十乃至数百kHz，而总损耗仍可维持在可接受的范围内 。

将该器件与传统IGBT进行对比可以发现，尽管在某些电流条件下IGBT的导通损耗可能与SiC MOSFET相当，但SiC器件的开关损耗通常远低于IGBT 。IGBT关断时存在的“拖尾电流”会导致显著的关断损耗，而SiC MOSFET则没有这一现象 。因此，在追求更高开关频率以缩小无源元件尺寸时，SiC MOSFET的优势尤为突出。总损耗的降低直接减少了系统产生的热量，从而允许采用更小、更轻的散热器，这是实现高功率密度设计的关键所在 。

2.2.2. 银烧结封装技术

B3M013C120Z器件采用了银烧结封装技术，该技术在数据手册中被列为提升热阻（Rth(j−c)​）的关键措施 。银烧结是一种先进的芯片粘接技术，它使用纳米或微米级的银颗粒，在高温和压力下烧结成致密、高导热、低电阻的键合层 。与传统的焊料（如SAC305）相比，银烧结具有显著优势：其热导率远高于焊料，能够实现更高效的热量从芯片结到封装外壳的传导 ；其耐温性极佳，可以承受SiC器件在高温下工作所产生的热应力，而无熔化之虞 。

结-壳热阻（Rth(j−c)​）是衡量器件散热能力的重要参数 。银烧结技术能够将这一关键热阻降低高达30%，从而在相同功率损耗下显著降低器件的结温 。根据阿伦尼乌斯方程，器件的寿命与工作结温密切相关，结温每升高 10∘C，器件的寿命通常会减半 。因此，银烧结技术通过降低结温，不仅提高了器件在持续高功率输出下的性能，更极大地增强了系统的长期可靠性 。此外，该技术还显著提升了器件在热循环（thermal cycling）和功率循环（power cycling）下的鲁棒性，能够承受比传统焊料高出数十倍的循环次数 。在电动汽车（EV）逆变器等高应力应用中，银烧结封装的模块在相同的温差下可以处理更高的电流，从而实现更高的功率密度 。这一特性使得该SiC MOSFET非常适合于对功率密度和长期可靠性要求严苛的储能和数据中心应用。

2.2.3. 开尔文源极引脚

B3M013C120Z采用TO-247-4封装，相比传统三引脚TO-247封装，其多了一个独立的开尔文源极引脚（Kelvin Source Pin） 。这一设计解决了困扰高速开关器件的共源极电感问题 。在传统三引脚封装中，栅极驱动回路和主功率回路共用一个源极引脚。当大电流在主功率回路中快速开关（高 di/dt）时，共源极引线的寄生电感会产生一个负反馈电压（Lsource​⋅di/dt），叠加在栅极驱动电压上 。这种效应会显著降低实际施加于栅极-源极的驱动电压，减缓器件的开通速度，或在关断时产生电压过冲和振铃，增加开关损耗，甚至导致误导通，从而影响系统的可靠性 。

开尔文源极引脚的引入将栅极驱动回路从主功率回路中独立出来，使得栅极驱动器能够以一个近乎无电流流动的参考点来驱动栅极，从而最小化栅极驱动回路的杂散电感 。这使得B3M013C120Z能够充分发挥其极快的开关速度，同时抑制开关过程中的电压尖峰和振铃 。这种封装上的优化，是实现高频高效、降低电磁干扰（EMI）并提升系统鲁棒性的关键，它从器件层面解决了高频电源设计中的一个核心挑战。

2.2.4. 雪崩耐用性

雪崩耐用性是衡量功率MOSFET在极端条件下鲁棒性的一个重要指标。它描述了器件在漏-源电压短暂超过其额定击穿电压（BVDSS​）时，能够吸收瞬态能量而不被永久损坏的能力 。虽然在正常设计中应避免雪崩事件，但在实际应用中，由于感性负载关断、瞬态浪涌或电源线突变等不可预测的因素，电压尖峰可能会发生。

B3M013C120Z将“雪崩耐用性”明确列为一项特性 。这意味着该器件通过优化的结构和制造工艺，能够在瞬态应力下保持稳定，防止因局部过热或不可控电流激增而导致的灾难性失效 。这种特性为电源系统提供了一道重要的“安全防线”，显著增强了其在复杂、恶劣运行环境下的鲁棒性和长期现场可靠性 。在储能和数据中心这类对可靠性有极致要求的应用中，该特性是保障系统稳定运行的关键。

3. 电路拓扑与实现方案：双向非隔离式Buck-Boost与交错并联

为充分利用B3M013C120Z SiC MOSFET的优越性能，设计者需采用与之匹配的先进电路拓扑。双向非隔离式Buck-Boost电路与交错并联技术的结合，提供了一种高效、高密度、高可靠性的解决方案。

3.1. 双向非隔离式Buck-Boost拓扑

该拓扑是一种基础且高效的非隔离式变换器，由两个开关管和一个电感构成。它可以在降压（Buck）和升压（Boost）两种模式下双向工作 。在储能应用中，该拓扑可作为电池储能单元与直流母线之间的接口。当电池充电时，它工作在降压模式，将高压直流母线电压降至电池充电电压；当电池放电时，它工作在升压模式，将电池电压升至母线电压为负载供电 。非隔离式设计因其电路结构简单、元件数量少而具备固有优势：没有变压器，从而减少了磁性元件相关的损耗，提高了转换效率，并显著减小了体积和重量 。

3.2. 交错并联（Interleaving）技术

交错并联技术通过将两个或更多个相同的变换器并联，并以固定的相移进行开关驱动，从而形成一个多相系统 。对于两相交错并联拓扑，其相位差通常为 180∘。这种技术不仅扩展了功率处理能力，更带来了多项关键的性能提升。

表3: 双向DCDC拓扑技术优势对比
特性
输入/输出电流纹波
无源元件尺寸
等效开关频率
电流应力分布
效率

交错并联最直接的好处是纹波的抵消效应 。通过多相电流的叠加与相位抵消，输入和输出的电流纹波都得到了显著降低。这使得设计者可以使用更小值的电感和电容来满足滤波要求，从而直接减小了整个电源模块的尺寸和重量 。同时，交错并联的等效开关频率是单相拓扑的两倍，进一步支持了无源元件的缩小，并提升了系统的动态响应速度 。此外，总电流被均匀地分配到每个并联的相位上，降低了单个SiC MOSFET的电流应力，从而减少了传导损耗，并提高了整体的系统效率和可靠性 。这种拓扑与SiC器件的低损耗特性相辅相成，共同实现了前所未有的高功率密度设计。

4. 设计方案的技术优势综合分析

基于B3M013C120Z SiC MOSFET的双向非隔离式Buck-Boost交错并联方案，其技术优势是多方面协同作用的结果，最终体现在效率、功率密度和可靠性等系统级指标的全面提升。

4.1. 高效率与低损耗

该设计方案的效率优势源于器件和拓扑层面的双重优化。从器件层面来看，B3M013C120Z极低的导通电阻和开关能量从根本上降低了传导损耗和开关损耗 。从拓扑层面来看，交错并联技术将总电流均分，进一步降低了单个器件的传导损耗，并通过纹波抵消效应优化了滤波，减少了无源元件的损耗 。系统的总损耗可被精确计算和预测，其主要由传导损耗和开关损耗构成。传导损耗的计算基于器件的导通电阻和电流的均方根值，而开关损耗则依赖于开关能量和工作频率。数据手册中提供了详细的开关能量与电流、电压和温度的关系曲线（如图17-20）以及导通电阻与电流和温度的关系曲线（如图5-7） 。这使得设计者能够利用这些数据，通过公式 Ptotal​≈Pcond​+Psw​=RDS(on)​⋅ID,rms2​+(Eon​+Eoff​)⋅fsw​ ，对系统总损耗进行精确估算和优化。这种基于实测数据和标准模型的定量分析，有力地证明了该方案在效率上的优越性，远超传统硅基方案。

4.2. 极致的功率密度

该方案的极致功率密度是多项技术共同作用的结果。首先，B3M013C120Z SiC MOSFET的高速开关能力允许设计者将开关频率提升至传统硅器件无法企及的水平，这使得电感、电容等储能无源元件的体积可以大幅缩小 。其次，交错并联拓扑通过纹波抵消效应，进一步允许使用更小值的电感和电容，在保证性能的同时，进一步压缩了无源元件的尺寸 。最后，银烧结封装技术显著降低了结-壳热阻，使得器件能够在更小的散热器上散耗更多的热量，或在相同散热条件下处理更高的功率 。开尔文源极引脚则保障了这一高频高密度系统在电气上的稳定性。这几项技术并非孤立存在，而是形成了一个闭环优化：SiC的高速开关能力是基础，交错并联技术是实现其优势的拓扑保障，而银烧结和开尔文源极则分别从热和电气稳定性上，解决了高功率密度设计带来的热和寄生效应挑战。

4.3. 高可靠性与系统鲁棒性

该方案通过多重手段提升了系统的可靠性。电气层面，开尔文源极引脚通过抑制寄生电感效应，有效降低了开关瞬态过程中的电压振铃和过冲 。这对于直流母线电压可能因负载变化而快速波动的储能和数据中心环境尤为重要，能够避免器件在瞬态应力下失效。热管理层面，银烧结封装在热循环应力下的优异表现，确保了系统在长期高负荷运行中的稳定性，远超传统焊料 。此外，器件本身的雪崩耐用性为系统提供了额外的安全保障，使其能够承受未知的电压尖峰，防止灾难性失效 。尽管高频开关会带来电磁干扰（EMI）的挑战，但交错并联拓扑的纹波抵消效应有助于简化EMI滤波器的设计，而通过优化布局和栅极驱动电路，可以有效缓解这一问题 。

表4: 设计方案系统级优势综合表
性能维度
高效率
高功率密度
高可靠性
低系统成本

5. 应用场景深度分析：储能与数据中心

5.1. 储能系统（ESS）

在储能系统中，该双向DC/DC变换器作为电池单元与高压直流母线之间的核心功率接口。其双向能量流动的能力使其能够无缝地管理电池的充电和放电过程 。该方案在储能领域的应用价值体现在以下几个方面：

平抑可再生能源波动： 在电网级储能应用中，该变换器可将储能单元接入直流母线，利用其双向能力平抑风能、太阳能等间歇性可再生能源的能量波动，从而提高电网的稳定性和供电质量 。

支持电动汽车（EV）充电桩： 在EV充电基础设施中，该方案可作为大功率充电桩的关键模块，实现高效的能量转换。其双向能力也为未来的车网互动（V2G）应用奠定了基础，即车辆不仅能从电网充电，也能在用电高峰时将能量回馈给电网，帮助稳定电网 。

5.2. 数据中心

随着AI算力的需求爆发，数据中心对高能效电源的需求日益增长。该SiC方案可显著降低数据中心电源系统的能耗，减少碳足迹，并为下一代数据中心架构提供支持 。

高压直流（HVDC）配电： 该变换器在下一代HVDC配电架构中扮演着关键角色。它可以连接不同电压等级的子系统，简化电源链，减少多级转换带来的损耗 。

不间断电源（UPS）： 该方案在双向UPS中的应用价值巨大。它能够在市电中断时，从备用电池快速、高效地为负载供电；而在市电恢复后，又能以高效率为电池充电，确保系统的持续可用性。其高效率意味着在相同功率下产生更少的热量，从而降低数据中心的冷却成本。

6. 发展前景、挑战与展望

6.1. 市场趋势与驱动力

全球SiC功率半导体市场正处于高速增长的快车道。据权威市场分析机构Yole的预测，全球SiC功率半导体市场规模预计将从2021年的11亿美元增长到2027年的63亿美元，年复合增长率超过34% 。这一增长主要由新能源汽车、储能、光伏和数据中心等关键应用领域的旺盛需求所驱动 。随着技术成熟和成本下降，SiC器件在这些领域的渗透率将持续提升，成为替代传统硅基器件的必然趋势。

6.2. 主要挑战

尽管前景广阔，SiC技术的大规模应用仍面临一些挑战。目前，SiC功率器件的价格普遍高于同等规格的硅器件数倍 。这主要源于SiC衬底材料的制备难度高、生长速率慢、良率低，导致其成本居高不下 。此外，SiC器件的制造工艺，如高温退火、栅氧质量控制等，相较于成熟的硅工艺也更为复杂，限制了产能的快速扩张 。这些挑战导致市场在短期内面临供不应求的局面，是影响其在更广泛领域普及的主要瓶颈。

6.3. 未来展望

解决上述挑战是SiC产业未来发展的核心方向。技术创新将集中于衬底制备工艺的改进，如溶液生长法等，以实现降本增效 。在封装方面，除了银烧结，研究人员还在探索成本更低的替代方案，例如铜烧结，以进一步降低封装成本 。此外，在系统设计层面，更高级的拓扑和控制策略，如磁集成技术，将与SiC器件协同，进一步提升电源系统的综合性能。随着这些技术的逐步成熟和产业规模效应的显现，SiC器件的价格有望持续下降，从而加速其在储能、数据中心等高价值领域的渗透。

7. 结论与建议

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。
需求SiC碳化硅MOSFET单管及功率模块，配套驱动板及驱动IC，请搜索倾佳电子杨茜

倾佳电子的分析表明，基于基本半导体B3M013C120Z SiC MOSFET的非隔离式双向Buck-Boost交错并联方案，在效率、功率密度和可靠性方面具有无可比拟的技术优势。该方案将SiC器件的低损耗、高速开关特性与交错并联拓扑的纹波抵消、电流均分优势完美结合，并通过银烧结封装和开尔文源极引脚等先进技术，从根本上解决了高频高功率设计中的热和电气稳定性难题。该方案是应对储能和数据中心领域对高效、紧凑、高可靠性电源迫切需求的理想解决方案。

对于工程师而言，尽管该方案的初始器件成本可能高于传统硅方案，但从系统级角度考量，其在能效、散热、体积和长期可靠性上的显著优势，将带来更低的运营成本和更高的投资回报率。未来的设计应重点关注如何通过优化电路布局来最小化寄生电感，并结合精细的热管理策略，以充分释放SiC器件的全部潜能。随着SiC产业链的成熟，该技术将成为推动下一代电源电子发展的基石。

审核编辑 黄宇