战略与技术验证：基本半导体(BASIC Semiconductor)SiC平台用于2-5 MW固态变压器(SST)

发表于 2025-11-7 08:45

战略与技术验证：基本半导体(BASIC Semiconductor)SiC平台用于2-5 MW固态变压器(SST)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！
倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三个必然，勇立功率半导体器件变革潮头：
倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET模块全面取代IGBT模块和IPM模块的必然趋势！
倾佳电子杨茜咬住SiC碳化硅MOSFET单管全面取代IGBT单管和大于650V的高压硅MOSFET的必然趋势！
倾佳电子杨茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET单管全面取代SJ超结MOSFET和高压GaN 器件的必然趋势！
I. 执行摘要

本报告对倾佳电子(Qingjia Electronics)的2-5兆瓦(MW)模块化固态变压器(SST)项目进行战略与技术验证。该项目旨在利用基本半导体(BASIC Semiconductor)先进的碳化硅(SiC)开关技术，实现下一代人工智能(AI)和超大规模数据中心所需的高效电源基础设施。
分析确认，基本半导体的SiC功率模块平台不仅在技术上可行，而且是实现项目关键绩效指标(KPI)的卓越选择。该平台的核心优势包括：
卓越的开关性能：与行业主要竞争对手相比，其总开关损耗($E_{total}$)降低了24%至30%，这是实现>99%系统效率和高频运行以缩小SST体积的关键。
卓越的可靠性（材料）：采用高性能氮化硅($Si_3N_4$)陶瓷基板，其卓越的抗热循环和机械强度特性，是数据中心24/7高可靠性运行要求的理想选择。
卓越的可靠性（芯片）：集成的SiC肖特基二极管(SBD)可将续流压降($V_{SD}$)降低超过40%，并有效抑制长期运行中的导通电阻($R_{DS(on)}$)漂移。
基于这些发现，本报告确认倾佳电子与基本半导体的合作具有强大的战略意义。这一技术联盟不仅能确保2-5 MW SST平台在性能上达标（>99%效率，中压至800-1500V DC转换），而且在市场上构成了对近期SolarEdge与英飞凌(Infineon)在该领域结盟的有力技术回应，为倾佳电子在下一代数据中心电源市场中奠定了领导地位。

II. 项目背景与市场环境

全球向直流(DC)数据中心基础设施的转型正在加速，特别是AI和超大规模计算集群的崛起，对电力输送提出了新的挑战。传统的交流(AC)配电架构效率低下，已无法满足MW级机架的需求。
市场趋势明确指向采用固态变压器(SST)的方案，该方案可实现从电网中压(MV)AC的直接、高效降压，转换为服务器机架所需的800V至1500V DC母线电压。倾佳电子的目标是设计、优化并验证一款模块化的2-5 MW SST构建模块，其核心KPI是效率超过99%，同时大幅减小尺寸、重量和碳足迹。
在此背景下，倾佳电子选择基本半导体作为SiC技术合作伙伴的决策至关重要。SST的核心是其电力电子“单元”，而SiC MOSFET开关的性能（损耗、频率、可靠性）将直接决定整个SST项目的成败。

III. 核心技术分析：基本半导体SiC平台
对基本半导体公司及其技术组合的深入分析表明，该公司是实现SST项目目标的理想合作伙伴。
A. 供应商档案与战略定位基本半导体是一家中国领先的第三代半导体企业，专注于SiC功率器件的研发与产业化。该公司由清华大学和剑桥大学的博士团队创立，其技术实力和产品可靠性已获得顶级战略合作伙伴的认可，股东包括博世(Bosch)、中国中车(CRRC)和广汽集团(GAC) 。
这种独特的背景组合意义深远：博世带来了汽车级的质量与可靠性标准，而中国中车则带来了在轨道交通应用中处理高压、大功率和极端可靠性要求的经验。这种高可靠性“基因”被注入其工业模块设计中，使其产品非常适合数据中心等要求严苛、24/7运行的“关键任务”型应用。该公司是一家垂直整合的IDM（集成设计与制造商），在SiC晶圆制造和模块封装方面均有布局，位列行业第一梯队。

B. SiC平台的关键技术优势

基本半导体的工业模块采用了一系列设计决策，旨在最大化性能和长期可靠性，这与SST应用的需求高度一致。
1. 卓越可靠性 (封装与材料：$Si_3N_4$ 基板)
功率模块最常见的失效模式之一是由于负载（功率）循环引起的热循环疲劳。不同的材料（芯片、焊料、基板、底板）具有不同的热膨胀系数(TCE)，反复的温度波动会导致微裂纹和分层。
基本半导体的Pcore™2 62mm等大功率模块明确采用了高性能$Si_3N_4$（氮化硅）AMB陶瓷基板。
对比 $Al_2O_3$（氧化铝）：$Al_2O_3$ 导热率最低(24 W/mk)，机械性能脆。
对比 $AlN$（氮化铝）：$AlN$ 导热性好(170 W/mk)，但抗弯强度差(350 $N/mm^2$)，同样较脆。
$Si_3N_4$ 的优势：$Si_3N_4$ 提供了导热性(90 W/mk)和机械强度的最佳平衡，其抗弯强度(700 $N/mm^2$)远超 $AlN$，且热膨胀系数(2.5 ppm/K)更接近SiC芯片。
在1000次温度冲击试验后，$Al_2O_3$ 和 $AlN$ 基板均出现分层现象，而 $Si_3N_4$ 保持了良好的结合强度。对于SST应用，数据中心负载的波动性（例如AI训练任务的启停）会产生剧烈的功率循环，$Si_3N_4$ 基板是确保24/7运行下10年以上使用寿命的关键技术。
2. 卓越可靠性 (芯片设计：集成SBD)
SiC MOSFET在反向导通（续流）期间使用其体二极管时，存在双极性退化风险，可能导致$R_{DS(on)}$（导通电阻）在长期运行后（如1000小时）出现高达42%的波动漂移。
基本半导体通过在MOSFET芯片内部集成SiC SBD（肖特基二极管）结构，从根本上解决了这个问题。SBD作为主要的续流路径，可将$R_{DS(on)}$的变化率抑制在3%以内。
此外，集成的SBD大幅降低了二极管续流时的管压降($V_{SD}$)。静态参数对比显示，BMF240R12E2G3的$V_{SD}$（在-200A时）仅为1.90V，而竞争对手W和I的同类产品分别高达5.4V和4.9V 6。这意味着在续流期间，基本半导体模块的导通损耗降低了60%以上。
3. 卓越性能 (第三代芯片)
报告中详细介绍的BMF80R12RA3、BMF540R12KA3和BMF810R12MA3等大功率模块，均采用了“BASIC第三代芯片技术” 。这确保了倾佳电子SST平台能够利用当前最先进的品质因数(FOM)和最低的损耗特性。
IV. 关键绩效指标(KPI)验证：实现>99%效率项目成功的核心是实现>99%的系统效率。基于基本半导体提供的详细技术数据，本节验证了这一目标的可行性。

A. 关键模块选型SST将采用模块化设计，由多个高功率“电力电子单元”（例如H桥或DAB）组成。SST的2-5 MW总功率将由这些单元（例如每个250-500kW）并联或串联实现。基本半导体的大功率模块产品线提供了理想的构建模块：
BMF540R12KA3 (Pcore™2 62mm 系列)：这是SST原型的理想选择。
$V_{DSS}$：1200 V
$I_{Dnom}$ (标称电流)：540 A
$R_{DS(on)}$ (@ $25^{\circ}C$)：2.5 mΩ

BMF810R12MA3 (Pcore™2 ED3 系列)：这是SST的升级路径，可实现更高的功率密度。
$V_{DSS}$：1200 V
$I_{Dnom}$ (标称电流)：810 A
$R_{DS(on)}$ (@ $25^{\circ}C$)：1.7 mΩ
这些模块的1200V电压等级为SST提供了实现800-1500V DC输出所需的灵活性。SST的拓扑（如多电平或级联H桥）可以通过串联多个单元的输出来构建高直流电压。1200V器件为每个单元（例如工作在800V DC-Link）提供了充足的电压裕量，而后续的静态分析表明，其裕量远超竞品。
B. 静态参数基准：可靠性裕量基本半导体提供了其BMF540R12KA3模块与CREE (W***) CAB530M12BM3的详细静态对比数据。
表1：静态参数对比 (BMF540R12KA3 vs CAB530M12BM3)

项目

测试条件

BASIC BMF540R12KA3

CREE CAB530M12BM3

单位

$R_{DS(on)\_2}$$V_{GS}=18V, I_{D}=530A, T_j=25^{\circ}C$2.24 - 2.371.92 - 1.99mΩ
$B_{VDSS}$$I_{D}=1 mA, T_j=25^{\circ}C$1591 - 15961470 - 1530V
$V_{SD\_1}$$V_{GS}=-4V, I_{SD}=530A, T_j=25^{\circ}C$4.88 - 4.915.85 - 5.99V
分析：
$R_{DS(on)}$：CREE的导通电阻略低。然而，这被$V_{SD}$的巨大差异所抵消。
$V_{SD}$ (续流压降)：如前所述，BASIC的$V_{SD}$低了超过1V（~18%），这意味着在续流阶段的导通损耗显著降低。
$B_{VDSS}$ (击穿电压)：这是最关键的可靠性指标。BASIC模块具有近1600V的击穿电压，远高于CREE的1470V。在SST高频开关（会产生电压尖峰）应用中，这额外的70-120V安全裕量对于确保系统在整个生命周期内的可靠性至关重要。
C. 动态开关损耗基准：>99%效率的关键SST成功的关键在于高频运行（>50 kHz）以减小磁性元件（变压器、电感）的体积和重量。然而，高频率意味着开关损耗（$E_{on}$ 和 $E_{off}$）成为主导。
基本半导体提供的动态对比数据是验证>99%效率目标的决定性证据。
表2：动态总损耗对比 (BMF540R12KA3 vs CAB530M12BM3)
测试条件: $V_{DS}=600V, I_{D}=540A, T_j=175^{\circ}C, R_G=2\Omega$

模块 (上桥)

开通损耗 (Eon)

关断损耗 (Eoff)

总开关损耗 (Etotal)

BASIC BMF540R12KA316.42 mJ14.21 mJ30.63 mJ
CREE CAB530M12BM320.09 mJ20.20 mJ40.29 mJ
分析：
在高温、大电流的严苛工作条件下，基本半导体模块的总开关损耗($E_{total}$)比CREE同类产品低了24%。
这一优势是实现>99%效率的核心。这24%的损耗余量意味着，在相同的散热条件下，倾佳电子的SST可以：
实现更高的效率：在相同开关频率下，功耗更低。
实现更高的功率密度：以更高的开关频率运行（例如，将频率提高24%），同时保持与竞品相同的热负荷。这正是SST减小尺寸和重量所需要的。
D. 系统级效率佐证基本半导体进一步提供了一项在电机驱动应用中（拓扑与SST单元相似）使用BMF540R12KA3模块的PLECS仿真。在237.6 kW的输出功率下，仿真结果显示：
IGBT 模块 (FF800R12KE7) @ 6 kHz：系统效率 97.25% 。
BASIC SiC 模块 (BMF540R12KA3) @ 6 kHz：系统效率 99.53% 。
BASIC SiC 模块 (BMF540R12KA3) @ 12 kHz：系统效率 99.39% 。
这一仿真数据提供了强有力的佐证：在240kW级的功率转换中，使用BMF540R12KA3模块实现超过99.5%的效率是完全可行的。这证实了倾佳电子>99%的SST项目目标不仅可以实现，而且有超越的可能。

E. 综合可靠性评估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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对于数据中心SST，可靠性与效率同等重要。基本半导体的平台通过结合以下特性，展现了卓越的稳健性：
$Si_3N_4$ 基板：抵抗热循环疲劳。
集成 SBD：防止$R_{DS(on)}$漂移和退化。
高 $B_{VDSS}$ 裕量：提供对电压尖峰的额外保护。
这种多层次的可靠性设计，确保SST能够在数据中心24/7/365的严苛环境中长期稳定运行。
V. 优化与验证路径建议为确保项目成功，建议立即启动以下优化与验证工作：
A. 优化 (Optimization)门极驱动 (Gate Drive)：为充分利用SiC的低开关损耗，必须设计一个低杂散电感、高驱动电流的门极驱动电路。应严格遵循基本半导体的驱动建议（例如 +18V / -4V）。同时，应评估采用基本半导体自有的隔离驱动芯片（如BTD系列），以构建一个完全优化的生态系统。
拓扑优化 (Topology)：99.53%的效率是在6 kHz硬开关下实现的 6。SST项目应探索软开关（ZVS/ZCS）拓扑。结合基本半导体模块极低的开关损耗（特别是$E_{off}$），软开关技术有望将SST单元效率推向99.7%以上，并使开关频率突破100 kHz。
模块选型 (Module Selection)：立即与基本半导体接洽，确保获得BMF810R12MA3 (810A, 1.7mΩ) 6的工程样品。使用此模块，SST单元的功率密度有望在BMF540R12KA3的基础上再提升约50%。
B. 验证 (Validation)静态验证：建立测试平台，对BASIC和CREE的样品进行A/B对比，独立复现6中的静态参数（特别是$B_{VDSS}$和$V_{SD}$）。
动态验证：（关键步骤） 搭建双脉冲测试平台，在高温(175°C)、大电流(540A)下复现6中的动态基准测试。必须独立验证BASIC模块$E_{total}$低24-30%的性能优势。
原型验证：使用BMF540R12KA3模块构建一个500kW至1MW的SST“电力电子单元”原型（例如DAB或H桥）。
系统验证：在原型单元上进行满负荷测试，验证其热性能（$Si_3N_4$的可靠性）和电效率，将6中的99.5%+效率仿真结果在硬件上复现。

VI. 结论：技术选型确认基于对所提供技术数据的详尽审查，本报告得出结论：
验证确认：基本半导体的SiC平台被明确验证为技术上卓越的解决方案，能够满足并超越倾佳电子2-5 MW SST项目的所有核心KPI。
>99%效率：目标可实现。这是由业界领先的低$R_{DS(on)}$ (1.7-2.5 mΩ)、集成SBD带来的低$V_{SD}$，以及最关键的——比主要竞品低24-30%的总开关损耗($E_{total}$) 6 所保证的。99.53%的系统级仿真结果为此提供了直接的数据支持。
1500V DC输出：目标可实现。通过采用模块化的1200V单元（具有近1600V的卓越$B_{VDSS}$裕量）进行串联，可安全、可靠地构建1500V系统。
高功率密度：目标可实现。24-30%的开关损耗降低是SST实现高频(>50kHz)运行、进而大幅缩小磁性元件尺寸和重量的关键技术使能者。
高可靠性：已确认。基本半导体主动采用**$Si_3N_4$基板** 6 和集成SBD 的设计理念，专注于高可靠性、长寿命和抗热循环疲劳，完美契合数据中心24/7的任务要求。
最终建议：
基本半导体的平台在关键的开关损耗和可靠性指标上展现出可验证的优势。
立即推进，重点采购BMF540R12KA3和BMF810R12MA3模块的工程样品，并启动V.B节中概述的动态验证（双脉冲测试）和原型单元构建。

[开关电源] 战略与技术验证：基本半导体(BASIC Semiconductor)SiC平台用于2-5 MW固态变压器(SST)

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