基本半导体碳化硅功率器件在有源滤波器APF中的应用

前 言

在有源电力滤波器（APF）系统中，功率器件的选择直接影响整机的滤波性能、效率与可靠性。随着电网电能质量要求日益提高，APF需要具备更高的开关频率、更低的损耗以及更强的过载能力。碳化硅功率器件以其优异的高频、高温特性，正成为提升APF性能的关键技术路径。

本文将系统介绍基本半导体碳化硅产品及配套驱动解决方案在APF中的应用，通过仿真数据与产品分析，展示其在提升效率、功率密度和运行可靠性方面的显著优势。

01碳化硅MOSFET和集成电路在APF应用中的选型

在APF这类需要快速动态响应、高频开关的应用中，碳化硅MOSFET的低开关损耗、高开关频率特性显得尤为重要。基本半导体提供从分立器件到模块的全系列碳化硅MOSFET产品，并搭配自主研发的隔离驱动与电源芯片，为APF系统提供高性能、高可靠的整体解决方案。

02E2B半桥模块BMF240R12E2G3和单管B3M013C120Z在APF应用中的仿真数据

1) 模块BMF240R12E2G3介绍

2) 单管B3M011C120Z介绍

3) 仿真情况

仿真条件

APF拓扑：两电平全桥

散热器温度：在80℃、90℃下仿真

母线电压800Vdc，输出电压400Vac

评估其在输出相电流150A时的总损耗和最高芯片结温

APF仿真拓扑

红框为温度和损耗监控碳化硅MOSFET位置，其他碳化硅MOSFET完全对称，数据不做展示

E2B半桥模块 BMF240R12E2G3单机用3只

单管 B3M011C120Z单机用12只APF感性无功仿真数据

模块BMF240R12E2G3 仿真方案

输出无功功率=150A*400V*3*1=180kVar

等效效率（%）=输出无功功率/（输出无功功率+器件总损耗功率）=180kVar/180kVar+(0.167*6)kW=99.45%

b. 单管B3M011C120Z两并 仿真方案

输出无功功率=150A*400V*3*1=180kVar

等效效率（%）=输出无功功率/（输出无功功率+器件总损耗功率）=180kVar/180kVar+(0.07485*12)kW=99.50%

c. E2B半桥模块 BMF240R12E2G3 TH=90℃ Iout=150Arms工况仿真波形

d. 单管B3M011C120Z TH=90℃ Iout=150Arms工况仿真波形

仿真结果表明，即使在80℃、90℃高温的严苛条件下，BMF240R12E2G3模块和B3M011C120Z单管两种方案均能保持合理的结温与损耗水平，充分验证了其在高频、高负载APF应用中的优异性能与可靠性。

APF系统开发商可根据系统成本、装联方式、散热条件自行选择模块或者单管解决方案。

03碳化硅MOSFET产品系列

基本半导体碳化硅MOSFET系列产品基于高性能晶圆平台开发，在比导通电阻、开关损耗及可靠性等方面表现卓越。产品涵盖工业模块与分立器件，封装形式多样，可满足不同功率等级和拓扑结构的APF设计需求。

1) 工业级碳化硅MOSFET功率模块

2) 不同陶瓷覆铜板的性能对比

模块的可靠性很大程度上取决于基板材料。以下是常用陶瓷覆铜板（DCB）的性能比较：

AI2O3——导热率最低，DCB的成本也最低

AlN——导热性最好，但抗弯强度差，而且厚度应稍高一些（典型厚度630um）

Si3N4——导热性比AlN差，但抗弯强度要好得多，因此厚度可以更低（典型厚度360um）

经过10次温度冲击后，AI2O3/AlN在垂直面上剥落，而Si3N4则在1000次温度冲击试验后保持了良好的接合强度，所以Si3N4非常适合碳化硅MOSFET模块

3) Pcore2 E2B系列碳化硅MOSFET模块

产品亮点

低导通电阻，高温RDS(on)表现优异

内部集成碳化硅SBD，管压降低且基本没有反向恢复行为

低开关损耗，开关损耗随温度上升反而下降

高阈值电压，降低误导通风险

高性能Si3N4AMB和高温焊料引入，提高产品可靠性

支持Press-Fit压接和Soldering焊接工艺

集成NTC温度传感器

应用领域

大功率快速充电桩

150A有源滤波器APF

125kW工商业储能PCS

高端工业电焊机

高频DCDC变换器

电机驱动控制

产品列表

4) 碳化硅MOSFET模块内部内置碳化硅SBD优势

内置SBD实现了更高的可靠性，降低RDS(on)实验前后的变化：

在普通碳化硅MOSFET 中，体二极管导通运行1000小时后导通内阻RDS(on)波动高达42%，而本产品的RDS(on)变化率在3%以内

5) BMF240R12E2G3的开通损耗Eon随温度升高而降低

从以下各品牌曲线图得出，碳化硅MOSFET的Eon的数值远大于Eoff，Eon占总损耗Etotal的60~80%左右

FF6MR12W2M1H_B70 (I***)和CAB006M12GM3(W***)的Eon显示正温度特性，随着温度上升Eon变大

BMF240R12E2G3的Eon呈现负温度特性，随着温度上升Eon变小，这使得高温时开关损耗会下降，而Eon的权重很高，所以高温重载时，整机效率就显得很出色，尤其在硬开关的拓扑中，这个特征在PCS应用中很有价值

6) 碳化硅MOSFET分立器件

04

使用碳化硅MOSFET

的驱动板整体解决方案

基本半导体提供碳化硅MOSFET驱动板及其零件

结 语

碳化硅功率器件凭借其高频、高效、高温特性，为有源电力滤波器（APF）的性能提升提供了强劲支持。基本半导体凭借在碳化硅技术领域的深厚积累，提供从功率模块、分立器件到驱动电源芯片的完整解决方案。仿真与实测表明，其产品在高温、过载等严苛条件下表现优异，能有效提升APF系统的可靠性、效率与功率密度。

随着碳化硅成本的持续优化与产业链的完善，其在电能质量治理领域的应用将不断深化。基本半导体将持续投入创新，致力于为客户提供高性能、高可靠的碳化硅产品，共同推动绿色电网与智能电能管理技术的发展。

关于基本半导体

深圳基本半导体股份有限公司是中国第三代半导体创新企业，专业从事碳化硅功率器件的研发与产业化。公司总部位于深圳，在北京、上海、无锡、香港以及日本名古屋设有研发中心和制造基地。公司拥有一支国际化的研发团队，核心团队由来自清华大学、中国科学院、英国剑桥大学等国内外知名高校及研究机构的博士组成。

基本半导体掌握碳化硅核心技术，研发覆盖碳化硅功率半导体的芯片设计、晶圆制造、封装测试、驱动应用等产业链关键环节，核心产品包括碳化硅二极管和MOSFET芯片、汽车级及工业级碳化硅功率模块、功率器件驱动芯片等，性能达到国际先进水平，服务于电动汽车、风光储能、轨道交通、工业控制、智能电网等领域的全球数百家客户。

基本半导体是国家级专精特新“小巨人”企业，承担了国家工信部、科技部及广东省、深圳市的众多研发及产业化项目，与深圳清华大学研究院共建第三代半导体材料与器件研发中心，是国家5G中高频器件创新中心股东单位之一，获批中国科协产学研融合技术创新服务体系第三代半导体协同创新中心、广东省第三代半导体碳化硅功率器件工程技术研究中心。