碳化硅二极管在USB-PD快充中的应用

当下，随着USB-PD快充技术的普及和氮化镓技术的成熟，大功率快充电源市场逐渐兴起，碳化硅二极管也开始在消费类电源市场中崭露头角，被部分100W大功率氮化镓快充产品选用。

碳化硅（SiC）是第三代宽禁带半导体材料，与硅（Si）相比，碳化硅的介电击穿强度更大、饱和电子漂移速度更快且热导率更高。因此，当其用于半导体器件中时，碳化硅器件拥有高耐压、高速开关、低导通电压、高效率等特性，有助于降低能耗和缩小系统尺寸。从这些优势看来，碳化硅对于USB-PD快充这类应用，是一个极佳的选择。

重点提示 下方有关键信息 

知识点 1

# 碳化硅器件在USB-PD快充的应用

为了增加大功率电源产品的功率因数，减小谐波对电网的干扰和污染，3C认证（中国国家强制性产品认证）中要求，75W以上的快充电源需要配备主动式PFC电路。一个常用的主动式PFC电路如图1所示，其中功率器件选择SiC二极管搭配氮化镓开关管，可以将PFC级的工作频率从不足100KHz提升到300KHz，由此减小升压电感体积，实现高功率密度的设计，同时产品的效率也达到了大幅提升，成为大功率电源产品的核心竞争力。因此，碳化硅在快充应用领域的关注度越来越高。

图1 主动式Boost PFC电路结构

知识点 2

# 碳化硅二极管用于PD快充的优势

与传统硅基二极管相比，SiC二极管主要有以下几点优势：

SiC二极管反向恢复电流几乎为零（如图2所示）。

与Si二极管相比，提升效率，减少发热。

配合高频开关器件使用，可大幅提高开关频率，缩小充电器体积。

更小的反向恢复电流带来更好的EMI结果，有助于实现GB/IEC标准中Class B的要求。

SiC材料拥有更好的导热效果，有利于降低结温。

图2 SiC和Si二极管的反向电流对比

在瑞能120W快充展示板上，比较DPAK封装的SiC和Si二极管得到以下效率及温度数据（图3&4）。

图3  120W快充电源效率对比

图4  120W快充电源二极管器件温升对比

知识点 3

# 瑞能现有的表贴封装碳化硅二极管

瑞能目前提供DPAK和DFN8x8两个系列的表贴（SMD）封装SiC二极管，额定电压为650V, 额定电流为4-10A。

瑞能SMD封装的尺寸以及热阻参数如图5中所示，优势主要有以下几点：

银烧结芯片焊接工艺，行业内极低热阻，低热阻值带来更好的散热和更低的结温。

DFN 8x8 封装无引脚设计，降低杂散电感，使器件可以应用于更高频率。

超薄厚度，DFN 封装厚度<1mm， 适于PD快充紧凑设计。

图5 瑞能表贴封装外形尺寸及热阻

知识点 4

# 瑞能120W快充展示板

利用碳化硅二极管WNSC2D06650D配合氮化镓开关管设计了以下120W快充展示板。

图6 120W快充展示板参数

图7 120W快充展示板正面图

图8 120W快充展示板反面图

120W快充展示板的效率数据, 在230V输入情况下最高效率可达94.5%. 115V AC输入情况下最高效率接近93.5%（图9）。

图9 120W快充展示板的效率

显而易见，图10为展示板在220V输入情况下的的传导EMI数据，满足GB 4824-2019 Class B标准，准峰值（Quasi-peak）和平均值(Average)均有10dB以上设计余量。

图10 传导EMI准峰值和平均值数据

# 资讯延展

目前，碳化硅（SiC）功率器件已经在电动汽车、逆变器、轨道交通、太阳能和风力发电等不同的场景和赛道上，得到了广泛应用。

根据权威研究机构Omdia最新的报告显示，瑞能半导体是碳化硅整流器目前市场占有率国内排名第一的厂商。持续研发，夯实综合实力和竞争力，瑞能半导体会继续成为卓越的功率半导体领导者，为客户提供各种高度可靠、高性价比和勇于创新的功率半导体器件，让客户在具体应用中实现最佳效率。