分立器件与电源模块
　　SiC MOSFET在电动汽车充电器和光伏逆变器等各个领域获得了广泛关注，这主要归功于其卓越的开关速度、效率和热性能。虽然 SiC MOSFET 的特性使其适用于较宽的功率范围，但准确建模损耗对于正确展示其潜力至关重要。
　　然而，尽管商用 SiC MOSFET 具有诸多优点，但其额定电流通常约为 120 A。为了满足高功率应用的必要性能要求，需要并行分立器件或电源模块。
　　分立器件或电源模块的选择取决于性能、成本、尺寸和可靠性等标准。由于其先进的集成，电源模块提供了一种理想的布置，具有的杂散电感、卓越的绝缘性和出色的热特性。然而，这些优点也伴随着尺寸较大和成本较高的缺点。
　　相反，并联分立器件可实现更具成本效益和紧凑的设计。这种方法在从半导体制造商的产品组合中选择电流额定值方面提供了更大的灵活性，避免了可能影响性能的过度尺寸设计。
　　并联分立器件的挑战在于需要对称的电源和驱动布局设计，以确保平衡的均流。如果没有这种对称性，SiC 器件的制造公差（包括阈值电压和导通电阻的变化）可能会导致电流分布不平衡。这些不平衡会影响传导和开关损耗，后者对驱动布局的设计特别敏感。
　　拟议的 DAB 架构
　　所提出的 DAB 转换器采用具有并联 SiC MOSFET 的对称栅极驱动布局。它专为管理 25 kW 的功率容量而设计，输入/输出电压范围为 300 至 600 V。此外，它的工作开关频率为 100 kHz。
　　DAB 架构具有全桥转换器，其中输入和输出端口中的每个开关并联连接三个 SiC MOSFET。所采用的器件是Infineon Technologies 的 IMZ120R030M1H 型。该设计优先考虑栅极驱动路线的对称性，以保证并联器件之间的电流分布相等。
　　如图 1a 所示，DAB 转换器的电源部分集成了栅极驱动路径的对称布局，确保了相等的走线长度和统一的寄生参数。这种设计限度地减少了驱动布局不对称可能引起的电流不平衡的可能性。栅极驱动板和电源部分是模块化的（见图 1b），可以轻松断开连接并评估不同的驱动解决方案。
　　该转换器还包括采用薄膜和多层陶瓷 (MLC) 混合技术的直流母线电容器，以处理高额定电流并提高开关性能。 MLC 电容器靠近 SiC 器件放置，以减少杂散电感。电源部分集成了预充电电路，可为直流母线电容器安全充电，防止出现高浪涌电流。

　　DAB 转换器的整体架构（见图 1c）包括输入和输出端口处的全桥功率部分，通过高频变压器与外部串联电感器连接。栅极驱动、测量和控制部分也集成到设计中。

　　(a) 三个并联 SiC 器件的栅极驱动路径的对称布局； (b) 具有相关栅极驱动器部分的全桥转换器； (c) 所提出的 DAB 转换器的总体架构。

　　图 1：(a) 三个并联 SiC 器件的栅极驱动路径的对称布局； (b) 具有相关栅极驱动器部分的全桥转换器； (c) 拟议 DAB 转换器的总体架构（来源：Porpora 等人，2024）
　　驱动和测量部分
　　单个栅极驱动器控制每个开关的所有三个并联 SiC MOSFET。栅极驱动器基于 Analog Devices Inc. ( ADI ) 的评估板，提供驱动解决方案的灵活性，同时保持一致的电源部分设计。选择用于性能分析的 ADI 评估板是 MAX22701E，该板以其超高共模瞬态抗扰度和集成数字电流隔离而闻名。
　　测量部分监控 DAB 转换器的电压、电流和温度，确保正确运行并提供故障保护。大多数测量组件均来自 ADI，包括用于电压和电流测量、温度监控和栅极驱动器操作的组件。
　　控制部分采用 STMicroElectronics 的 STM32G484 微控制器进行定制设计。该部分位于两个全桥之间的中心，使用屏蔽电缆来限度地减少电磁干扰。该转换器通过基于相移调制的开环控制系统进行管理。定制的 MATLAB 工具与微控制器连接，允许调整开关频率、功率流方向、死区时间和相移等控制参数。
　　性能分析
　　通过各种操作条件下的实验测试，对所提出的 DAB 转换器的性能进行了分析。该分析分为低功率（高达 5 kW）和高功率（25 kW）测试，重点是评估电气和热行为。
　　实验装置包括各种仪器，用于监测 SiC MOSFET 的电气和热性能。该设置的关键组件包括：
　　两个可编程直流双向电源，用于为 DAB 转换器的输入/输出端口供电
　　用于计算输入/输出功率和整体效率的七通道功率分析仪
　　用于电压和电流测量的1 GHz示波器
　　辅助电源，用于为 DAB 转换器的控制和电源部分内的组件供电
　　两个热像仪用于监控散热器上的热梯度
　　使用 NTC 热敏电阻测量 SiC 器件温度的数据记录器
　　此设置允许在不同输入/输出电压和功率条件下全面测试 DAB 转换器的性能。
　　低功耗测试
　　低功耗测试的重点是评估并联 SiC MOSFET 之间随时间的热分布。 DAB 转换器的运行功率约为 5 kW，这是一个较低的功率水平，无需强制冷却，从而能够准确监控热梯度。测试了三种情况，输入和输出电压在 450 至 500 V 之间变化。
　　结果表明，并联器件的栅源电压匹配良好，证实了对称布局的有效性。热成像显示，设备之间的温度不平衡非常小，运行 20 分钟后温度梯度为 2°C。这表明对称设计有效地平衡了器件上的热应力和电应力。
　　高功率测试
　　高功率测试评估 DAB 转换器在输出功率高达额定 25 kW 时的性能。由于热限制，测试的时间间隔很短，当 SiC 器件达到 70°C 的温度时终止。输入和输出电压设置为500 V，并在10、15和25 kW的输出功率下对转换器进行测试。
　　结果表明，对称布局在较高功率水平下继续表现良好，栅极驱动信号没有明显的热不平衡或不对称。导通和关断期间的栅源电压是一致的，即使功率增加，热梯度也保持在可接受的限度内。
　　基于 SiC 的 25 kW DAB 转换器的性能分析证明了在中等功率应用中使用并联分立 SiC MOSFET 的可行性。栅极驱动路径的对称布局可确保器件之间的电流共享平衡，从而限度地降低热失衡和电气失衡的风险。低功率和高功率测试验证了转换器的设计，表明它可以在各种条件下高效可靠地运行。这项工作凸显了分立解决方案在中等功率应用中的潜力，为电源模块提供了一种经济高效且灵活的替代方案。