用多重技術作法達到最佳化 SMPS 效率

切換式電源供應器 (SMPS) 兼具效率與穩健性，因此適用於電動車 (EV) 充電基礎設施、太陽能逆變器及工業馬達驅動器等應用。然而，在追求更高工作電壓與電流、降低導通與熱損耗，以及更緊湊的外型尺寸要求下，設計人員必須納入先進的碳化矽 (SiC) MOSFET 技術。此技術必須仔細結合 MOS 閘控閘流體與快速回復的橋式整流器，以產生最佳化的電力轉換系統。

本文以 EV 充電器為例，概述 SMPS 的要求。接著會介紹 IXYS/Littelfuse 的 SiC MOSFET，探討其能力，並展示如何結合針對特定電路功能最佳化的各種裝置技術，以打造更高效且更緊湊的電力轉換系統。

以公共 EV 電動車快速充電基礎設施為例概述現代化 SMPS

效率是 SMPS 的標誌性特色之一，但現代化的高功率應用將這些設計推向新的極限。試想公共直流 (DC) 快充站的要求，例如可提供高達 350 kW 的 Level 3 系統。效率損失 1% 即等同於浪費 3.5 kW 的電力，這會大幅增加營運成本及熱負載。

高效能的 SiC MOSFET 是達成更高效率的關鍵元件。可在高頻率切換的同時維持低導通阻抗，因此能採用更小的被動元件並降低轉換損耗。然而，也因為這些因素，使得 SiC MOSFET 容易受到暫態電壓突波的影響。因此，高效率設計通常需要更先進的保護機制。

此外，SiC MOSFET 並非 Level 3 充電站各部分的最佳解決方案。例如，公共充電站需要輔助電源系統來驅動冷卻泵浦、網路通訊及其他系統功能。即使主要充電路徑中斷，這些系統仍必須保持運作。在此情況下，高可靠度的矽 (Si) 二極體裝置可能會是更好的選擇。

瞭解 DC 快充站各部分的要求並謹慎挑選適合的裝置技術非常重要。

使用低電阻 SiC MOSFET 進行高功率 DC-DC 轉換

Level 3 快充站的 DC-DC 轉換級可展現現代 SMPS 設計的挑戰。此級的輸出電壓最高可達 1 kV，傳統上需使用高壓矽絕緣閘雙極電晶體 (IGBT) 或高壓SiC MOSFET。這兩種作法都可能帶來效率損失：IGBT 因具有高切換損耗，而某些早期世代的 SiC MOSFET 則因具有相對較高的導通損耗。舉例而言，有些早期世代的高壓 SiC MOSFET，其導通電阻 (R_DS(ON)) 約在 100 mΩ 的範圍。

Littelfuse 的 IXSJxxN120R1 SiC MOSFET 系列可針對此困境提供極具吸引力的解決方案。此系列結合了最高達 1200 V 的阻斷電壓與最低至 18 mΩ 的 R_DS(ON)。低電阻可將傳導損耗降至最低，並提供優異的熱效能。

這些裝置採用隔離式陶瓷封裝，具有 2,500 V_AC 隔離能力 (1 分鐘)。此設計可降低接面對散熱器的熱阻，並將對散熱器的雜散電容降至最低，藉此減少電磁干擾 (EMI)，同時採用熟悉的 TO-247-3L 封裝以便輕鬆整合。

IXSJ43N120R1 就是典型的範例之一 (圖 1)。此裝置在 +25°C 下的額定連續汲極電流 I_D 為 45 A，具有 36 mΩ 的 R_DS(ON) (典型值)。還具有 79 nC 的低閘極電荷和 2453 pF 的輸入電容值，適用於採用較小磁性元件的設計。

圖 1：IXSJ43N120R1 1,200 V SiC MOSFET 採用隔離式 TO-247-3L 封裝，在 +25°C下，額定連續汲極電流 I_D 為 45 A，且 R_DS(ON) 為 36 mΩ (典型值)。(圖片來源：Littelfuse)

IXSJxxN120R1 系列可降低導通損耗，同時維持高阻斷電壓能力，能讓設計人員簡化變換器拓撲、減少熱負擔，並發揮最大的整體系統效率。

將主動前端的切換損耗降至最低

對 DC 快充站的其他零件來說，切換損耗可能比導通電阻更為關鍵。以主動式前端為例，其可將 AC 轉換成 DC，同時調整電流波形，以符合功率因數校正 (PFC) 及諧波失真要求。由於此級需仰賴切換頻率的提升以將電感和濾波器的尺寸縮至最小，因此切換損耗對整體效率來說相當重要。

Littelfuse 的 LSIC1MO120E SiC MOSFET 系列，針對這些高頻應用進行最佳化。這些裝置結合了 1200 V 的阻斷能力並具有低動態損耗，因此非常適合用於 DC 快充站及其他併網系統中的 PFC 升壓轉換器。

例如，LSIC1MO120E0080 (圖 2) 的額定連續汲極電流 (I_D) 在+25°C 時為 39 A，且可在 每週期 252 µJ 的低切換能量下，平衡 80 mΩ (典型值) 的 R_DS(ON)。具有延伸的接點溫度範圍，介於 -55°C 至 +175°C，因此可在環境條件變化較大的戶外設備上提供額外的設計餘裕。

圖 2：LSIC1MO120E0080 SiC MOSFET 針對高頻應用進行最佳化。(圖片來源：Littelfuse)

LSIC1MO120E 系列採用非隔離式 TO-247-3 封裝。讓前端的切換損耗最佳化 LSIC1MO120E 搭配 DC/DC 級的導通損耗最佳化 IXSJxxN120R1，設計人員就可在整個快充電源鏈中達到最佳化效率。

採用 MOS 閘控閘流體的進階電路保護

為了確保可靠運作，DC 快充系統必須能承受電網引起的突波，以及故障期間來自直流鏈的瞬間能量釋放。消弧式防護器常用於保護敏感系統以免受到這類危害，但隨著功率位準提升，這些防護系統需要更高的電流處理能力及更快速的反應時間。MOS 閘控閘流體，如 MMIX1H60N150V1 (圖 3) 採用 24-SMPD 封裝，就是符合這些要求的絕佳選擇。

圖 3：MMIX1H60N150V1 MOS 閘控閘流體採用 24-SMPD 封裝。(圖片來源：IXYS/Littelfuse)

要應用在 DC 充電器的消弧電路中，有三個屬性特別重要：

• 高突波能力：額定值 1 µs 時 32 kA，10 µs 時 11.8 kA，此裝置能吸收嚴重干擾且無損下游 SiC MOSFET 級。
• 快速觸發特性：具有 50 ns 延遲和 100 ns 電流上升時間，可在過壓事件蔓延到轉換器前迅速對其進行箝制。
• 整合式反向並聯二極體：此特點能讓裝置處理雙向故障電流，是避免直流鏈干擾的重要防護措施。

綜合這些特性，MMIX1H60N150V1 是保護高功率 DC 快充系統的可靠選擇。

使用橋式整流器確保系統可用性及輔助電源

除了主要電力路徑之外，公共 DC 快充站還需要輔助電源來支援冷卻泵浦、付款終端機、顯示器及通訊鏈路等系統。VBE60-06A 橋式整流器 (圖 4) 專為滿足這些關鍵功能所需的高可用性而設計。

圖 4：VBE60-06A 橋式整流器具有螺絲孔以便安裝。(圖片來源：IXYS/Littelfuse)

VBE60-06A 以高效能的快速回復二極體 (HiPerFRED) 技術為基礎打造，結合了低導通損耗與緩反向回復的特性。要用在高要求的基礎設施應用中，有三個特性特別重要：

• 高功率容量：此裝置具有600 V 逆向阻斷電壓及 60 A 橋式輸出電流，可針對要在寬溫範圍內持續運作的戶外設備，提供降額所需的充分餘裕。
• 低 EMI：反向回復時間僅需 35 ns，並具有緩回復特性，可將切換損耗降至最低並可減少可能會引發 EMI 的高頻輻射。對於整合有敏感通訊與控制電子元件的系統來說，將 EMI 降至最低相當關鍵。
• 穩健運作：整流器符合雪崩等級，可確保在暫態情況下提供可靠效能。採用業界標準的 SOT-227B minibloc 封裝，可提供 3000 V 隔離能力、提升系統安全性並簡化高壓組件的整合。

VBE60-06A 可提供可靠且電磁干擾極低的整流電源給輔助子系統，因此能支援公共充電網路講究的運轉時間及可用性目標。

設計 SMPS系統應用的完整系統解決方案

在此針對 EV 快充站所探討的系統層級設計原則，亦可直接應用在其他高要求的 SMPS 應用。例如，在太陽能逆變器中，能否達到最大化的能量採集，取決於是否可在最大功率點追蹤 (MPPT) 和逆變器級中，將導通損耗與切換損耗降至最低。使用適合的 SiC MOSFET 不僅能達成雙重目標，搭配 MOS 閘控閘流體提供的穩健突波防護，就可確保系統的長壽命及長久運行時間。

工業馬達驅動器也面臨類似的挑戰。高頻切換技術可達到精確的馬達控制並減少振動，但同時也會增加熱應力。低損耗的 SiC MOSFET 有助於控制這些要求、提升效率並降低營運成本。同時，電氣條件惡劣的工業環境則需要 MOS 閘控閘流體提供的快速動作、高電流保護，以確保達到持續工業運作所需的可靠性。

此外，太陽能逆變器和工業馬達驅動器皆採用輔助電源來執行控制、監測及其他關鍵系統。這些功能需要可靠且低電磁干擾的電源，整流器就可派上用場，具有穩健的額定值、緩回復特性及低 EMI。

最後，本文提出的所有解決方案，均具有寬廣的工作溫度範圍，至少涵蓋 -40°C 至 +150°C，有些裝置甚至可支援更極端的溫度。寬廣的工作溫度範圍可確保裝置在採用 EV 充電器及其他 SMPS 系統的嚴苛環境中，仍可維持可靠運作。

結論

要設計可靠且高效率的 DC 快充站需要多種高效能裝置。每個功能區塊皆對元件有不同的要求，從切換效率到導通損耗再到長期可靠性都需納入考量。Littelfuse 的產品組合涵蓋切換、整流及保護，可滿足多樣化需求，能讓工程師組裝完整的系統級解決方案。這些優勢可在整個 SMPS 應用中發揮，能讓設計人員利用這些工具符合多元市場中嚴苛的要求。