倾佳电子超越100kW：用于兆瓦级储能直挂充电桩电源的SiC功率模块CLLC隔离DC-DC变换设计

倾佳电子超越100kW：用于兆瓦级储能直挂充电桩电源的SiC功率模块,CLLC隔离DC-DC变换设计

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：兆瓦级储能与SiC CLLC变换器应用背景

1.1 行业驱动力与技术挑战

随着全球向可持续能源转型的加速，电动汽车（EV）的普及率持续攀升，对高功率、快速充电解决方案的需求日益迫切。同时，大规模储能系统（ESS）作为电网的柔性支撑和可再生能源并网的关键，其功率等级已迈入兆瓦级（MW）时代。将兆瓦级储能系统与高功率充电桩直挂，形成一种“储能-充电一体化”的解决方案，已成为行业共识。这种模式不仅可以缓解电网峰值负荷压力，还能在电网故障时提供离网供电能力，保障关键负荷的连续运行 。

传统基于硅（Si）器件的功率变换器在面对兆瓦级功率、高频开关及高功率密度等需求时，其性能已接近物理极限。硅绝缘栅双极晶体管（IGBT）虽然具备高耐压能力，但其固有的拖尾电流和较高的开关损耗限制了开关频率的提升 。这直接导致了无源器件（如电感、电容和变压器）体积庞大，难以满足现代应用对高功率密度的要求。

1.2 SiC功率器件的核心优势

碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，因其宽带隙、高热导率、高饱和电子漂移速率等卓越物理特性，成为突破上述瓶颈的理想选择 。相较于Si器件，SiC MOSFETs具有更高的耐压、更低的比导通电阻和显著更小的开关损耗 。特别是在开关过程中，SiC MOSFETs几乎不产生拖尾电流，其关断损耗远低于IGBT。此外，SiC器件在高温环境下也能稳定工作，最高结温可达 175∘C，这简化了散热设计，并进一步提升了功率密度 。这些优势使得SiC器件能够支持更高的开关频率，从而大幅减小磁性元件的体积和重量，实现系统级的轻量化与高效化。

1.3 双向CLLC谐振变换器拓扑的优越性

在兆瓦级储能-充电一体化应用中，需要实现能量的双向流动：即从储能电池向电动汽车充电，以及从电动汽车向电网反向供电（V2G）。隔离型DC-DC变换器是实现这一功能的关键。在众多拓扑中，双向CLLC谐振变换器凭借其独特优势脱颖而出 。

CLLC拓扑的核心优势在于其在双向运行时，能够在较宽的频率范围内实现原边开关管的零电压开关（ZVS）和副边整流管的零电流开关（ZCS） 。这种软开关特性从根本上消除了硬开关带来的巨大开关损耗，特别是在高频应用中，极大地提升了变换器的整体效率。此外，CLLC拓扑结构对称，功率密度高，且具备宽电压调节范围，使其非常适合在高压、大功率场合应用 。尽管该拓扑在兆瓦级应用中仍处于关键技术研究和中小功率样机试验阶段，尚未完全成熟，但其在效率和功率密度方面的潜力使其被视为未来高压大容量双向变换器拓扑的重要发展方向 。

1.4 倾佳电子报告结构与内容概览

倾佳电子旨在提供一份关于兆瓦级储能电池直挂充电桩电源的专家级设计分析。倾佳电子将从系统架构、核心元器件选型、关键技术挑战、控制策略到工程实践等多个层面展开，旨在为读者提供一个全面的技术路线图。倾佳电子的分析将基于基本半导体（BASiC Semiconductor）提供的SiC功率模块、门极驱动器及配套电源芯片等系列产品，论证这些组件如何协同工作，共同构建一个高性能的功率变换系统。

2. 兆瓦级系统架构与电压平台设计

2.1 系统级功率流分析

兆瓦级储能电池直挂充电桩的电源系统，其核心任务是在高压直流母线（HVDC Bus）之间进行双向能量转换。其典型的功率流路径包括：

充电模式（正向功率流）：能量从兆瓦级储能系统的直流母线经由CLLC隔离型DC-DC变换器，传输至电动汽车的电池组。

V2G/放电模式（反向功率流）：能量从电动汽车电池组回馈至储能系统，或通过后续逆变器馈入电网，实现电网调峰等功能。

该系统通过隔离变换器将储能母线与充电桩输出端进行电气隔离，确保系统安全。

2.2 直流母线电压的选择与考量

在设计兆瓦级功率变换系统时，直流母线电压的选择至关重要，它直接影响系统的电流大小、损耗、组件选型和整体效率。根据行业标准，兆瓦级充电桩的理想直流母线电压介于1000V至1500V之间 。这一电压平台不仅能有效降低传输电流，减少导线损耗，还能与高耐压SiC器件的特性完美匹配 。

选用1200V耐压等级的SiC MOSFET模块，可以为1000V左右的直流母线电压提供充足的设计裕度，同时充分利用SiC器件的高速开关和低损耗优势。相较于追求更高的电压，如2000V，1500V母线电压平台在现有技术下更能平衡安全法规、组件复杂性和系统效率 。

2.3 模块化与多模块并联方案

实现兆瓦级（超过100kW）的功率输出，单一的功率模块无法满足需求。因此，采用多模块并联的模块化设计是必然选择 。这种方案不仅能扩展功率容量，还具备冗余性，提高了系统的可靠性和可维护性。在并联设计中，CLLC变换器的每个功率单元都可以独立工作，通过交错并联（interleaved）技术，可以有效降低输入/输出纹波电流，减小滤波电容的体积。然而，模块并联带来了最大的技术挑战，即动态电流不平衡问题。倾佳电子将在后续章节对此进行深入分析。

3. 核心功率器件选型与深度分析：SiC MOSFET模块

3.1 模块参数对比与选型决策

本兆瓦级设计方案，核心功率开关器件选用基本半导体的1200V SiC MOSFET半桥模块。我们对该系列中的两款代表性产品BMF008MR12E2G3和BMF240R12E2G3进行详细对比。

表1：SiC MOSFET模块关键参数对比

参数	BMF008MR12E2G3	BMF240R12E2G3
额定耐压V_DSS	1200 V	1200 V
连续漏极电流I_D (TH=80∘C)	160 A	240 A
典型导通电阻RDS(on).typ (Tvj=25∘C)	8.1mΩ	5.5mΩ
典型导通电阻RDS(on).typ (Tvj=175∘C)	13.5mΩ	10.0mΩ
典型结-壳热阻Rth(j−c)	0.13 K/W	0.09 K/W
典型总栅极电荷Q_G	401 nC	492 nC
典型开通能量E_on (Tvj=150∘C)	2.3 mJ	5.7 mJ
典型关断能量E_off (Tvj=150∘C)	0.6 mJ	1.7 mJ
内置二极管	SiC肖特基势垒二极管	SiC肖特基势垒二极管

从参数对比可知，BMF240R12E2G3模块在多项关键指标上表现出显著优势。其在25∘C和175∘C下的导通电阻都更低，这将直接降低导通损耗。更值得关注的是，其结-壳热阻R_{th(j-c)}仅为0.09 K/W ，远低于BMF008MR12E2G3的0.13 K/W 。在兆瓦级功率应用中，热量管理是决定系统可靠性的核心因素，更低的热阻意味着热量能更高效地从芯片传递到散热器，确保结温维持在安全范围内，从而有效抑制 R_DS(on)随温度升高而增大的正反馈效应。因此，BMF240R12E2G3是实现高功率密度和高效率设计的首选模块。

3.2 SiC模块并联的关键技术：挑战与均流策略

在多模块并联以达到兆瓦级功率输出时，动态和静态电流不平衡是必须解决的核心挑战 。

动态不平衡的根源：SiC器件极高的开关速度（dv/dt和di/dt）使得寄生参数的影响被放大。在并联结构中，由于物理布局上的细微差异，每个功率支路的驱动回路和功率回路都会存在不同的寄生电感和电阻。在高速开关瞬态过程中，这些不对称的寄生电感会导致各并联支路上的电压和电流变化速率不一致，从而引发严重的动态电流不平衡 。

解决方案分析：

内置均流策略：一些模块通过内部设计来优化均流。例如，有制造商通过在每个并联芯片的栅极串联电阻来保证动态均流 。

外置均流策略：更根本的解决方案依赖于外部电路和PCB布局优化，以最小化寄生参数的不对称性。

叠层母排结构：利用叠层母排可以有效降低各个换流回路的寄生电感，同时减小并联支路寄生电感的不对称性，实现对称性布局，这对于高压SiC模块的并联尤为有利 。

门极驱动与功率回路PCB分离：将门极驱动电路板与功率电路板物理分离，通过开尔文源极点进行连接。这种设计能够减小门极驱动环与功率环之间的耦合与相互影响，确保驱动信号的纯净性和同步性，是实现精确均流的重要手段 。

这些内置和外置的均流策略相辅相成。SiC模块内部的设计为均流提供了基础，而系统设计者则必须通过精心的PCB布局来消除外部寄生参数的影响，才能确保兆瓦级并联系统的性能和长期可靠性。

4. 隔离与驱动：SiC专用驱动器与高频变压器设计

4.1 BTD5350x隔离型门极驱动器特性深度解析

SiC MOSFET的高速开关特性要求门极驱动器具备与之匹配的高性能。BTD5350x系列隔离型门极驱动器是专门为SiC MOSFETs设计的，其关键特性如下：

表2：BTD5350x隔离型门极驱动器关键特性

参数	额定值/典型值	意义
峰值输出电流I_OH/I_OL	10 A	极高的峰值电流确保快速充放电SiC模块的栅极总电荷Q_G，从而实现高速开关 。
传输延时t_PLH/t_PHL	低至60 ns	极低的传输延时确保控制信号的精确同步，尤其在多模块并联和高频开关时至关重要 。
隔离电压V_ISO	5000 Vrms (SOW-8)	提供高达5000Vrms的隔离耐压，确保高压母线与低压控制侧之间的电气安全隔离 。
共模瞬态抗扰度CMTI	150 kV/μs	极高的CMTI能力使其在SiC高速开关产生的高dv/dt环境下，有效抵抗共模干扰，保障控制信号的完整性 。
米勒钳位V_CLAMP	7 mV	BTD5350M版本内置米勒钳位功能，通过在关断期间为栅极提供低阻抗路径，吸收米勒电流，防止因高dv/dt导致的寄生导通 。
欠压保护V_UVLO	原边：V_ON1 2.6V, 副边：V_ON2 8.7V/12V	当驱动电源电压低于阈值时，驱动器会关闭输出，确保SiC模块不会在门极电压不足的情况下工作，从而避免高损耗甚至损坏 。

BTD5350x驱动器的高峰值电流是其核心优势。BMF240R12E2G3模块的典型栅极总电荷Q_G为492 nC ，需要强大的驱动能力才能在纳秒级时间内快速完成充放电，实现高速开关并最大化效率。BTD5350x高达10A的峰值驱动电流恰能满足这一需求。

4.2 隔离电源方案分析

门极驱动器需要一个高可靠、高隔离度的电源。本设计采用基本半导体BTP1521x正激DC-DC开关电源芯片与TR-P15DS23-EE13高频隔离变压器的组合方案，为BTD5350x驱动器提供供电。

BTP1521x芯片：该芯片可编程的工作频率最高可达1.3MHz 。其内部集成了软启动和过温保护功能，确保电源系统的稳定性和可靠性。

TR-P15DS23-EE13变压器：该变压器是一款为SiC MOSFET门极驱动供电而定制的高频隔离变压器。其设计可传输高达4W的功率，并提供4500 Vac的原副边隔离耐压 。通过其副边绕组输出，经整流后可获得约22V的电压，该电压可通过稳压管轻松拆分为SiC模块所需的+18V和-4V门极电压 。这一参数匹配，充分体现了组件间的协同设计。

BTP1521x芯片的6W额定输出功率高于TR-P15DS23-EE13变压器的4W传输功率 ，这意味着BTP1521x具备更广泛的应用灵活性，而该变压器则被精确地设计以满足门极驱动器及其外围电路的功耗需求。高工作频率使得变压器体积得以大幅减小，与整个系统高功率密度的设计理念保持一致。

5. CLLC谐振变换器拓扑设计与控制策略

5.1 CLLC拓扑结构与工作原理

双向CLLC谐振变换器通常采用全桥结构，其电路主要由以下部分组成 ：

原边逆变桥：通常由四个SiC MOSFETs（S1-S4）组成，用于将直流电压转换为高频方波电压。

谐振槽：由谐振电感（L_r1）、谐振电容（C_r1）和变压器励磁电感（L_m）组成。该谐振槽在特定频率下与电源频率产生谐振，将电流塑形为准正弦波，从而实现软开关 。

高频隔离变压器：实现原副边隔离，并提供所需的电压增益。

副边整流桥：由四个SiC MOSFETs（S5-S8）组成，在正向充电时作为同步整流器，在反向放电时作为逆变器。

CLLC拓扑的独特之处在于其完全对称的谐振腔结构 。无论是正向（充电）还是反向（V2G）工作，其工作特性都相似。在理想情况下，通过合理设计，可以在较宽的负载和电压范围内实现原边开关管的ZVS和副边开关管的ZCS 。

5.2 控制策略与性能权衡

CLLC谐振变换器通常采用频率调制（PFM）作为其主要控制策略 。通过改变开关频率，可以调节输出电压，从而实现稳压或恒功率控制。

PFM的优势：该控制方法可以使变换器在宽输入电压和宽负载范围内实现ZVS，尤其在轻载条件下也能保持较高的效率。

PFM的挑战：相较于脉宽调制（PWM）控制，PFM的稳压精度可能较差，并且存在轻载环流功率大的问题 。在兆瓦级应用中，精确的电压控制和瞬态响应是关键，设计者需要通过优化控制算法来平衡效率、稳压精度和动态性能。

5.3 双向功率流控制

CLLC变换器的双向功率流控制可以通过简单的相位调制来实现。在正向（充电）模式下，原边逆变桥S1-S4与副边整流桥S5-S8之间存在一个相位差。通过调节这个相位差，可以控制能量从原边向副边的传输。在反向（V2G）模式下，副边桥作为逆变器，原边桥作为整流器，能量流向相反。这种对称结构和相位控制的灵活性，使得CLLC拓扑能够高效、无缝地实现双向能量转换，为储能系统的V2G功能提供了坚实的基础 。

6. 损耗模型与系统效率评估

6.1 CLLC变换器主要损耗来源

在充电桩电源模块中，即使是微小的效率提升也意味着巨大的功率损耗降低。SiC CLLC变换器的主要损耗来源可分解为以下几个部分：

SiC MOSFET模块损耗：

导通损耗（Pcond）：这部分损耗主要由模块的导通电阻引起，其计算公式为Pcond=Irms2⋅RDS(on)。在兆瓦级应用中，器件工作在高温下，因此应采用Tvj=175∘C时的R_DS(on)值进行计算，以获得更真实的损耗数据 。

开关损耗（Psw）：这部分损耗由器件的开通和关断过程引起，计算公式为Psw=fsw⋅(Eon+Eoff)。得益于CLLC拓扑的ZVS/ZCS软开关特性，理论上可以显著降低甚至消除大部分开关损耗，使其远低于硬开关拓扑 。

高频磁性元件损耗：主要包括变压器和电感在高频工作下的磁芯损耗（涡流损耗、磁滞损耗）和绕组损耗（趋肤效应和邻近效应）。

驱动与辅助电路损耗：包括门极驱动器本身的静态功耗和开关损耗，以及隔离电源的损耗。

6.2 基于损耗模型的系统效率预测

为了实现兆瓦级CLLC变换器的高效率，必须将上述损耗降至最低。

表3：兆瓦级CLLC变换器初步性能预测

性能指标	预测值	影响因素与优化措施
系统总效率	> 98%	主要由SiC模块损耗和磁性元件损耗决定。通过优化控制策略、降低开关频率波动范围、并联均流、以及选用高性能磁芯材料和优化绕组设计来提升。
总损耗功率	< 20 kW/MW	以1MW输出为例，总损耗功率约为20kW。其中SiC模块的导通损耗占主要部分，其次是磁性元件损耗。

热管理是确保预测效率得以实现的关键。SiC器件的R_DS(on)具有正温度系数，即随着结温升高，导通电阻增大 。在并联模块出现电流不平衡时，过载的模块会因电流增大而产生更高的导通损耗，导致局部结温升高，进一步增大其导通电阻，形成一个正反馈循环，最终可能导致热失控和器件损坏。因此，必须通过精确的PCB布局实现动态均流，并通过高效的热管理方案（如液冷）来确保结温不超过

175∘C的额定值，从而维持较低的R_DS(on)，确保系统长期稳定运行。

7. 关键工程实践：PCB布局与热管理

7.1 高功率模块化PCB布局原则

在高功率兆瓦级应用中，PCB布局已不再是简单的元器件排列，而是一项复杂的工程挑战，直接关系到系统的性能和可靠性。

最小化寄生电感：SiC器件的高速开关特性使得任何微小的寄生电感都会引起严重的电压和电流过冲。必须采用叠层母排（laminated busbar）等先进结构，以最小化功率回路的寄生电感，从而抑制开关过冲 。

实现绝对对称的并联支路：为了解决并联均流问题，必须在布局时确保每个并联模块的功率回路和门极驱动回路的寄生参数（包括电感和电阻）高度一致。任何不对称都会导致电流不平衡。

分离驱动与功率回路：将SiC MOSFET的门极驱动板与高功率主回路板物理分离，并通过开尔文源极点（Kelvin source）进行连接 。这种设计能够将门极驱动回路与功率开关回路的高 di/dt、高dv/dt环境隔离，确保驱动信号的纯净，避免因高频干扰导致的错误开关或振荡。

7.2 高效热管理方案

兆瓦级功率密度意味着巨大的热量产生，对散热系统提出了极高要求。

高效散热器设计：充分利用BMF240R12E2G3模块的低结-壳热阻Rth(j−c) ，通过设计高效的散热器来确保热量从模块底部快速传导出去。

液冷技术应用：对于兆瓦级功率等级，强制风冷已难以满足散热需求。高效的液冷（water cooling）方案是确保所有SiC模块结温始终处于安全工作范围内的关键。液冷系统可以更精确地控制模块温度，从而确保R_DS(on)保持在最低水平，进一步降低导通损耗。

实时温度监控与保护：利用模块内置的NTC热敏电阻，可以实现对模块温度的实时监控 。将此温度信号反馈给控制系统，可以实现过温保护功能，并在极端情况下通过降额运行或紧急关断来保护器件。

8. 结论、挑战与展望

8.1 设计方案总结

倾佳电子基于SiC功率模块和CLLC谐振变换器拓扑，为兆瓦级储能电池直挂充电桩电源系统提供了一个先进且可行的技术方案。该方案的核心优势在于：

核心元器件的完美协同：BMF240R12E2G3 SiC模块以其低导通电阻和低热阻为高功率密度设计提供了坚实基础；BTD5350x门极驱动器提供强大的驱动电流和全面的保护功能，确保SiC模块的高速可靠开关；BTP1521x隔离电源芯片与TR-P15DS23-EE13变压器则为驱动器提供了高度定制化的高频隔离电源，完美契合SiC模块的供电需求。

拓扑选择的战略性：双向CLLC拓扑的固有软开关特性，从根本上解决了高频大功率应用中的效率难题，其双向功率流能力也完全满足储能-充电一体化的功能需求。

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。

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8.2 潜在挑战与工程建议

尽管该方案在理论上具有显著优势，但在实际兆瓦级应用中仍面临核心挑战：

并联均流：动态电流不平衡是首要难题，其根本原因在于寄生参数的不对称性。

高频磁性元件设计：兆瓦级功率下的高频磁性元件设计，需要综合考虑材料选择、结构优化和热管理，以平衡损耗、体积和成本。

高效热管理：兆瓦级功率密度对散热系统提出极致要求，液冷是必不可少的。

为应对这些挑战，建议在工程实践中：1) 严格遵循PCB布局原则，采用叠层母排和分离式驱动板设计以确保并联支路的高度对称；2) 采用仿真工具对功率回路和驱动回路的寄生参数进行精确建模与优化；3) 部署冗余和智能控制策略，结合内置NTC温度传感器进行实时健康监测与保护。

8.3 未来技术发展展望

未来，随着新一代SiC器件的不断演进、高集成度拓扑的出现以及自适应控制算法的进步，兆瓦级储能-充电电源的功率密度和效率将持续提升。倾佳电子所提出的SiC-CLLC技术路线，正是这一发展趋势的缩影。这一技术路线的成熟与应用，将为电动汽车快速充电和电网的稳定运行提供强有力的技术保障，进一步推动能源领域的变革。

审核编辑 黄宇