戰(zhàn)略與技術(shù)驗(yàn)證：基本半導(dǎo)體(BASIC Semiconductor)SiC平臺用于2-5 MW固態(tài)變壓器(SST)

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動(dòng)化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動(dòng)國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個(gè)必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢！

I. 執(zhí)行摘要

本報(bào)告對傾佳電子(Qingjia Electronics)的2-5兆瓦(MW)模塊化固態(tài)變壓器(SST)項(xiàng)目進(jìn)行戰(zhàn)略與技術(shù)驗(yàn)證。該項(xiàng)目旨在利用基本半導(dǎo)體(BASIC Semiconductor)先進(jìn)的碳化硅(SiC)開關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)下一代人工智能(AI)和超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心所需的高效電源基礎(chǔ)設(shè)施。

分析確認(rèn)，基本半導(dǎo)體的SiC功率模塊平臺不僅在技術(shù)上可行，而且是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目關(guān)鍵績效指標(biāo)(KPI)的卓越選擇。該平臺的核心優(yōu)勢包括：

卓越的開關(guān)性能：與行業(yè)主要競爭對手相比，其總開關(guān)損耗($E_{total}$)降低了24%至30%，這是實(shí)現(xiàn)>99%系統(tǒng)效率和高頻運(yùn)行以縮小SST體積的關(guān)鍵。

卓越的可靠性（材料）：采用高性能氮化硅($Si_3N_4$)陶瓷基板，其卓越的抗熱循環(huán)和機(jī)械強(qiáng)度特性，是數(shù)據(jù)中心24/7高可靠性運(yùn)行要求的理想選擇。

卓越的可靠性（芯片）：集成的SiC肖特基二極管(SBD)可將續(xù)流壓降($V_{SD}$)降低超過40%，并有效抑制長期運(yùn)行中的導(dǎo)通電阻($R_{DS(on)}$)漂移。

基于這些發(fā)現(xiàn)，本報(bào)告確認(rèn)傾佳電子與基本半導(dǎo)體的合作具有強(qiáng)大的戰(zhàn)略意義。這一技術(shù)聯(lián)盟不僅能確保2-5 MW SST平臺在性能上達(dá)標(biāo)（>99%效率，中壓至800-1500V DC轉(zhuǎn)換），而且在市場上構(gòu)成了對近期SolarEdge與英飛凌(Infineon)在該領(lǐng)域結(jié)盟的有力技術(shù)回應(yīng)，為傾佳電子在下一代數(shù)據(jù)中心電源市場中奠定了領(lǐng)導(dǎo)地位。

II. 項(xiàng)目背景與市場環(huán)境

全球向直流(DC)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施的轉(zhuǎn)型正在加速，特別是AI和超大規(guī)模計(jì)算集群的崛起，對電力輸送提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的交流(AC)配電架構(gòu)效率低下，已無法滿足MW級機(jī)架的需求。

市場趨勢明確指向采用固態(tài)變壓器(SST)的方案，該方案可實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)中壓(MV)AC的直接、高效降壓，轉(zhuǎn)換為服務(wù)器機(jī)架所需的800V至1500V DC母線電壓。傾佳電子的目標(biāo)是設(shè)計(jì)、優(yōu)化并驗(yàn)證一款模塊化的2-5 MW SST構(gòu)建模塊，其核心KPI是效率超過99%，同時(shí)大幅減小尺寸、重量和碳足跡。

在此背景下，傾佳電子選擇基本半導(dǎo)體作為SiC技術(shù)合作伙伴的決策至關(guān)重要。SST的核心是其電力電子“單元”，而SiC MOSFET開關(guān)的性能（損耗、頻率、可靠性）將直接決定整個(gè)SST項(xiàng)目的成敗。

III. 核心技術(shù)分析：基本半導(dǎo)體SiC平臺

對基本半導(dǎo)體公司及其技術(shù)組合的深入分析表明，該公司是實(shí)現(xiàn)SST項(xiàng)目目標(biāo)的理想合作伙伴。

A. 供應(yīng)商檔案與戰(zhàn)略定位

基本半導(dǎo)體是一家中國領(lǐng)先的第三代半導(dǎo)體企業(yè)，專注于SiC功率器件的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化 。該公司由清華大學(xué)和劍橋大學(xué)的博士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立 ，其技術(shù)實(shí)力和產(chǎn)品可靠性已獲得頂級戰(zhàn)略合作伙伴的認(rèn)可，股東包括博世(Bosch)、中國中車(CRRC)和廣汽集團(tuán)(GAC) 。

這種獨(dú)特的背景組合意義深遠(yuǎn)：博世帶來了汽車級的質(zhì)量與可靠性標(biāo)準(zhǔn)，而中國中車則帶來了在軌道交通應(yīng)用中處理高壓、大功率和極端可靠性要求的經(jīng)驗(yàn)。這種高可靠性“基因”被注入其工業(yè)模塊設(shè)計(jì)中，使其產(chǎn)品非常適合數(shù)據(jù)中心等要求嚴(yán)苛、24/7運(yùn)行的“關(guān)鍵任務(wù)”型應(yīng)用。該公司是一家垂直整合的IDM（集成設(shè)計(jì)與制造商），在SiC晶圓制造和模塊封裝方面均有布局，位列行業(yè)第一梯隊(duì) 。

B. SiC平臺的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢

基本半導(dǎo)體的工業(yè)模塊采用了一系列設(shè)計(jì)決策，旨在最大化性能和長期可靠性，這與SST應(yīng)用的需求高度一致。

1. 卓越可靠性 (封裝與材料：$Si_3N_4$ 基板)

功率模塊最常見的失效模式之一是由于負(fù)載（功率）循環(huán)引起的熱循環(huán)疲勞。不同的材料（芯片、焊料、基板、底板）具有不同的熱膨脹系數(shù)(TCE)，反復(fù)的溫度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致微裂紋和分層。

基本半導(dǎo)體的Pcore?2 62mm等大功率模塊明確采用了高性能$Si_3N_4$（氮化硅）AMB陶瓷基板 。

對比 $Al_2O_3$（氧化鋁）：$Al_2O_3$ 導(dǎo)熱率最低(24 W/mk)，機(jī)械性能脆 。

對比 $AlN$（氮化鋁）：$AlN$ 導(dǎo)熱性好(170 W/mk)，但抗彎強(qiáng)度差(350 $N/mm^2$)，同樣較脆 。

$Si_3N_4$ 的優(yōu)勢：$Si_3N_4$ 提供了導(dǎo)熱性(90 W/mk)和機(jī)械強(qiáng)度的最佳平衡，其抗彎強(qiáng)度(700 $N/mm^2$)遠(yuǎn)超 $AlN$，且熱膨脹系數(shù)(2.5 ppm/K)更接近SiC芯片 。

在1000次溫度沖擊試驗(yàn)后，$Al_2O_3$ 和 $AlN$ 基板均出現(xiàn)分層現(xiàn)象，而 $Si_3N_4$ 保持了良好的結(jié)合強(qiáng)度 。對于SST應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心負(fù)載的波動(dòng)性（例如AI訓(xùn)練任務(wù)的啟停）會(huì)產(chǎn)生劇烈的功率循環(huán)，$Si_3N_4$ 基板是確保24/7運(yùn)行下10年以上使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)。

2. 卓越可靠性 (芯片設(shè)計(jì)：集成SBD)

SiC MOSFET在反向?qū)ǎɡm(xù)流）期間使用其體二極管時(shí)，存在雙極性退化風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致$R_{DS(on)}$（導(dǎo)通電阻）在長期運(yùn)行后（如1000小時(shí)）出現(xiàn)高達(dá)42%的波動(dòng)漂移 。

基本半導(dǎo)體通過在MOSFET芯片內(nèi)部集成SiC SBD（肖特基二極管）結(jié)構(gòu)，從根本上解決了這個(gè)問題。SBD作為主要的續(xù)流路徑，可將$R_{DS(on)}$的變化率抑制在3%以內(nèi) 。

此外，集成的SBD大幅降低了二極管續(xù)流時(shí)的管壓降($V_{SD}$)。靜態(tài)參數(shù)對比顯示，BMF240R12E2G3的$V_{SD}$（在-200A時(shí)）僅為1.90V，而競爭對手W和I的同類產(chǎn)品分別高達(dá)5.4V和4.9V 6。這意味著在續(xù)流期間，基本半導(dǎo)體模塊的導(dǎo)通損耗降低了60%以上。

3. 卓越性能 (第三代芯片)

報(bào)告中詳細(xì)介紹的BMF80R12RA3、BMF540R12KA3和BMF810R12MA3等大功率模塊，均采用了“BASIC第三代芯片技術(shù)” 。這確保了傾佳電子SST平臺能夠利用當(dāng)前最先進(jìn)的品質(zhì)因數(shù)(FOM)和最低的損耗特性。

IV. 關(guān)鍵績效指標(biāo)(KPI)驗(yàn)證：實(shí)現(xiàn)>99%效率

項(xiàng)目成功的核心是實(shí)現(xiàn)>99%的系統(tǒng)效率。基于基本半導(dǎo)體提供的詳細(xì)技術(shù)數(shù)據(jù)，本節(jié)驗(yàn)證了這一目標(biāo)的可行性。

A. 關(guān)鍵模塊選型

SST將采用模塊化設(shè)計(jì)，由多個(gè)高功率“電力電子單元”（例如H橋或DAB）組成。SST的2-5 MW總功率將由這些單元（例如每個(gè)250-500kW）并聯(lián)或串聯(lián)實(shí)現(xiàn)?；景雽?dǎo)體的大功率模塊產(chǎn)品線提供了理想的構(gòu)建模塊：

BMF540R12KA3 (Pcore?2 62mm 系列)：這是SST原型的理想選擇。

$V_{DSS}$：1200 V

$I_{Dnom}$ (標(biāo)稱電流)：540 A

$R_{DS(on)}$ (@ $25^{circ}C$)：2.5 mΩ

BMF810R12MA3 (Pcore?2 ED3 系列)：這是SST的升級路徑，可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

$V_{DSS}$：1200 V

$I_{Dnom}$ (標(biāo)稱電流)：810 A

$R_{DS(on)}$ (@ $25^{circ}C$)：1.7 mΩ

這些模塊的1200V電壓等級為SST提供了實(shí)現(xiàn)800-1500V DC輸出所需的靈活性。SST的拓?fù)洌ㄈ缍嚯娖交蚣壜?lián)H橋）可以通過串聯(lián)多個(gè)單元的輸出來構(gòu)建高直流電壓。1200V器件為每個(gè)單元（例如工作在800V DC-Link）提供了充足的電壓裕量，而后續(xù)的靜態(tài)分析表明，其裕量遠(yuǎn)超競品。

B. 靜態(tài)參數(shù)基準(zhǔn)：可靠性裕量

基本半導(dǎo)體提供了其BMF540R12KA3模塊與CREE (W***) CAB530M12BM3的詳細(xì)靜態(tài)對比數(shù)據(jù) 。

表1：靜態(tài)參數(shù)對比 (BMF540R12KA3 vs CAB530M12BM3)

分析：

$R_{DS(on)}$：CREE的導(dǎo)通電阻略低。然而，這被$V_{SD}$的巨大差異所抵消。

$V_{SD}$ (續(xù)流壓降)：如前所述，BASIC的$V_{SD}$低了超過1V（~18%），這意味著在續(xù)流階段的導(dǎo)通損耗顯著降低。

$B_{VDSS}$ (擊穿電壓)：這是最關(guān)鍵的可靠性指標(biāo)。BASIC模塊具有近1600V的擊穿電壓，遠(yuǎn)高于CREE的1470V。在SST高頻開關(guān)（會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰）應(yīng)用中，這額外的70-120V安全裕量對于確保系統(tǒng)在整個(gè)生命周期內(nèi)的可靠性至關(guān)重要。

C. 動(dòng)態(tài)開關(guān)損耗基準(zhǔn)：>99%效率的關(guān)鍵

SST成功的關(guān)鍵在于高頻運(yùn)行（>50 kHz）以減小磁性元件（變壓器、電感）的體積和重量。然而，高頻率意味著開關(guān)損耗（$E_{on}$ 和 $E_{off}$）成為主導(dǎo)。

基本半導(dǎo)體提供的動(dòng)態(tài)對比數(shù)據(jù) 是驗(yàn)證>99%效率目標(biāo)的決定性證據(jù)。

表2：動(dòng)態(tài)總損耗對比 (BMF540R12KA3 vs CAB530M12BM3)

測試條件: $V_{DS}=600V, I_{D}=540A, T_j=175^{circ}C, R_G=2Omega$

分析：

在高溫、大電流的嚴(yán)苛工作條件下，基本半導(dǎo)體模塊的總開關(guān)損耗($E_{total}$)比CREE同類產(chǎn)品低了24%。

這一優(yōu)勢是實(shí)現(xiàn)>99%效率的核心。這24%的損耗余量意味著，在相同的散熱條件下，傾佳電子的SST可以：

實(shí)現(xiàn)更高的效率：在相同開關(guān)頻率下，功耗更低。

實(shí)現(xiàn)更高的功率密度：以更高的開關(guān)頻率運(yùn)行（例如，將頻率提高24%），同時(shí)保持與競品相同的熱負(fù)荷。這正是SST減小尺寸和重量所需要的。

D. 系統(tǒng)級效率佐證

基本半導(dǎo)體進(jìn)一步提供了一項(xiàng)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中（拓?fù)渑cSST單元相似）使用BMF540R12KA3模塊的PLECS仿真 。在237.6 kW的輸出功率下，仿真結(jié)果顯示：

IGBT 模塊 (FF800R12KE7) @ 6 kHz：系統(tǒng)效率 97.25% 。

BASIC SiC 模塊 (BMF540R12KA3) @ 6 kHz：系統(tǒng)效率 99.53% 。

BASIC SiC 模塊 (BMF540R12KA3) @ 12 kHz：系統(tǒng)效率 99.39% 。

這一仿真數(shù)據(jù)提供了強(qiáng)有力的佐證：在240kW級的功率轉(zhuǎn)換中，使用BMF540R12KA3模塊實(shí)現(xiàn)超過99.5%的效率是完全可行的。這證實(shí)了傾佳電子>99%的SST項(xiàng)目目標(biāo)不僅可以實(shí)現(xiàn)，而且有超越的可能。

E. 綜合可靠性評估

深圳市傾佳電子有限公司（簡稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動(dòng)者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：
新能源：覆蓋光伏、儲(chǔ)能、充電基礎(chǔ)設(shè)施；
交通電動(dòng)化：服務(wù)新能源汽車三電系統(tǒng)（電控、電池、電機(jī)）及高壓平臺升級；
數(shù)字化轉(zhuǎn)型：支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應(yīng)用。
公司以“推動(dòng)國產(chǎn)SiC替代進(jìn)口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命，響應(yīng)國家“雙碳”政策（碳達(dá)峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。
需求SiC碳化硅MOSFET單管及功率模塊，配套驅(qū)動(dòng)板及驅(qū)動(dòng)IC，請?zhí)砑觾A佳電子楊茜微芯（壹叁貳 陸陸陸陸 叁叁壹叁）

對于數(shù)據(jù)中心SST，可靠性與效率同等重要。基本半導(dǎo)體的平臺通過結(jié)合以下特性，展現(xiàn)了卓越的穩(wěn)健性：

$Si_3N_4$ 基板：抵抗熱循環(huán)疲勞 。

集成 SBD：防止$R_{DS(on)}$漂移和退化 。

高 $B_{VDSS}$ 裕量：提供對電壓尖峰的額外保護(hù) 。

這種多層次的可靠性設(shè)計(jì)，確保SST能夠在數(shù)據(jù)中心24/7/365的嚴(yán)苛環(huán)境中長期穩(wěn)定運(yùn)行。

V. 優(yōu)化與驗(yàn)證路徑建議

為確保項(xiàng)目成功，建議立即啟動(dòng)以下優(yōu)化與驗(yàn)證工作：

A. 優(yōu)化 (Optimization)

門極驅(qū)動(dòng) (Gate Drive)：為充分利用SiC的低開關(guān)損耗，必須設(shè)計(jì)一個(gè)低雜散電感、高驅(qū)動(dòng)電流的門極驅(qū)動(dòng)電路。應(yīng)嚴(yán)格遵循基本半導(dǎo)體的驅(qū)動(dòng)建議（例如 +18V / -4V）。同時(shí)，應(yīng)評估采用基本半導(dǎo)體自有的隔離驅(qū)動(dòng)芯片（如BTD系列），以構(gòu)建一個(gè)完全優(yōu)化的生態(tài)系統(tǒng)。

拓?fù)鋬?yōu)化 (Topology)：99.53%的效率是在6 kHz硬開關(guān)下實(shí)現(xiàn)的 6。SST項(xiàng)目應(yīng)探索軟開關(guān)（ZVS/ZCS）拓?fù)?。結(jié)合基本半導(dǎo)體模塊極低的開關(guān)損耗（特別是$E_{off}$），軟開關(guān)技術(shù)有望將SST單元效率推向99.7%以上，并使開關(guān)頻率突破100 kHz。

模塊選型 (Module Selection)：立即與基本半導(dǎo)體接洽，確保獲得BMF810R12MA3 (810A, 1.7mΩ) 6的工程樣品。使用此模塊，SST單元的功率密度有望在BMF540R12KA3的基礎(chǔ)上再提升約50%。

B. 驗(yàn)證 (Validation)

靜態(tài)驗(yàn)證：建立測試平臺，對BASIC和CREE的樣品進(jìn)行A/B對比，獨(dú)立復(fù)現(xiàn)6中的靜態(tài)參數(shù)（特別是$B_{VDSS}$和$V_{SD}$）。

動(dòng)態(tài)驗(yàn)證：（關(guān)鍵步驟） 搭建雙脈沖測試平臺，在高溫(175°C)、大電流(540A)下復(fù)現(xiàn)6中的動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)測試。必須獨(dú)立驗(yàn)證BASIC模塊$E_{total}$低24-30%的性能優(yōu)勢。

原型驗(yàn)證：使用BMF540R12KA3模塊構(gòu)建一個(gè)500kW至1MW的SST“電力電子單元”原型（例如DAB或H橋）。

系統(tǒng)驗(yàn)證：在原型單元上進(jìn)行滿負(fù)荷測試，驗(yàn)證其熱性能（$Si_3N_4$的可靠性）和電效率，將6中的99.5%+效率仿真結(jié)果在硬件上復(fù)現(xiàn)。

VI. 結(jié)論：技術(shù)選型確認(rèn)

基于對所提供技術(shù)數(shù)據(jù)的詳盡審查，本報(bào)告得出結(jié)論：

驗(yàn)證確認(rèn)：基本半導(dǎo)體的SiC平臺被明確驗(yàn)證為技術(shù)上卓越的解決方案，能夠滿足并超越傾佳電子2-5 MW SST項(xiàng)目的所有核心KPI。

>99%效率：目標(biāo)可實(shí)現(xiàn)。這是由業(yè)界領(lǐng)先的低$R_{DS(on)}$ (1.7-2.5 mΩ)、集成SBD帶來的低$V_{SD}$，以及最關(guān)鍵的——比主要競品低24-30%的總開關(guān)損耗($E_{total}$) 6 所保證的。99.53%的系統(tǒng)級仿真結(jié)果 為此提供了直接的數(shù)據(jù)支持。

1500V DC輸出：目標(biāo)可實(shí)現(xiàn)。通過采用模塊化的1200V單元（具有近1600V的卓越$B_{VDSS}$裕量 ）進(jìn)行串聯(lián)，可安全、可靠地構(gòu)建1500V系統(tǒng)。

高功率密度：目標(biāo)可實(shí)現(xiàn)。24-30%的開關(guān)損耗降低是SST實(shí)現(xiàn)高頻(>50kHz)運(yùn)行、進(jìn)而大幅縮小磁性元件尺寸和重量的關(guān)鍵技術(shù)使能者。

高可靠性：已確認(rèn)。基本半導(dǎo)體主動(dòng)采用**$Si_3N_4$基板** 6 和集成SBD 的設(shè)計(jì)理念，專注于高可靠性、長壽命和抗熱循環(huán)疲勞，完美契合數(shù)據(jù)中心24/7的任務(wù)要求。

最終建議：

基本半導(dǎo)體的平臺在關(guān)鍵的開關(guān)損耗和可靠性指標(biāo)上展現(xiàn)出可驗(yàn)證的優(yōu)勢。

立即推進(jìn)，重點(diǎn)采購BMF540R12KA3和BMF810R12MA3模塊的工程樣品，并啟動(dòng)V.B節(jié)中概述的動(dòng)態(tài)驗(yàn)證（雙脈沖測試）和原型單元構(gòu)建。

審核編輯 黃宇