倾佳电子SiC碳化硅MOSFET功率模块在电力电子应用中对IGBT模块的全面替代

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倾佳电子SiC碳化硅MOSFET功率模块在电力电子应用中对IGBT模块的全面升级替代 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！
倾佳电子摘要
碳化硅（SiC）MOSFET功率模块正凭借其卓越的电气特性和封装创新，在34mm和62mm等主流封装形式中，加速全面替代传统的硅基绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块。这一技术更迭并非简单的性能升级，而是为电力电子系统带来了效率、功率密度和可靠性的根本性提升。
倾佳电子通过对基本半导体（BASiC Semiconductor）系列SiC模块的详尽分析，量化了其在以下核心领域的优势：
导通损耗与开关损耗：SiC模块的导通电阻（RDS(on)​）和体二极管正向压降极低，尤其是在施加正向栅压时，可显著降低传导损耗。更重要的是，SiC几乎无拖尾电流，反向恢复损耗（Err​）可忽略不计，使其开关损耗远低于IGBT，从而能够在高开关频率下实现高效率运行。
功率密度与系统效率：系统级仿真结果显示，在工业电焊机应用中，SiC模块可将开关频率从20kHz提升至80kHz，同时将总损耗降低超过50%，整机效率提升近1.58个百分点。在电机驱动应用中，SiC模块在相同热约束下，最大输出电流可提升超过15%，为设备小型化和性能升级提供了直接路径。
热管理与可靠性：SiC模块采用高性能氮化硅（Si3​N4​）陶瓷基板和铜基板，前者拥有优异的抗弯强度和热循环稳定性，后者则优化了热扩散。部分产品通过集成SiC肖特基势垒二极管（SBD），有效抑制了体二极管退化，将R_{DS(on)}波动控制在3%以内，极大地提升了长期可靠性。
然而，SiC模块的高速开关特性也带来了特有的技术挑战。高dV/dt和低门槛电压（VGS(th)​）相结合，使得米勒效应引发的寄生导通风险格外突出。因此，采用具有负偏压和米勒钳位（Miller Clamp）功能的专用驱动芯片，是确保系统在高频、高可靠性环境下稳定运行的关键技术要点。
综上所述，SiC模块已在性能、效率和可靠性上构建起坚实的护城河。尽管初期成本仍是考量因素，但随着技术的成熟和规模化生产，其在电动汽车、可再生能源、储能和高端工业设备等领域的“全面替代”已成为不可逆转的趋势。
第一部分：引言电力电子技术是现代工业和能源系统的核心，其性能的每一次飞跃都源于功率半导体材料的革新。从硅（Si）基功率器件到以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带（Wide Band-Gap, WBG）半导体，我们正经历一场深刻的技术变革。SiC材料凭借其宽禁带、高临界电场、高热导率等固有优势，使得SiC功率器件能够实现更低导通损耗、更高开关速度和更高工作温度，这些特性是传统硅基器件难以企及的。
在工业应用领域，IGBT模块长期占据主导地位，尤其是在高压、大功率场景。然而，随着对能源效率和功率密度需求的不断提高，IGBT的性能瓶颈日益凸显，例如其开关损耗高、工作频率受限以及复杂的散热设计等。SiC功率模块的出现，为突破这些瓶颈提供了强大的解决方案。
倾佳电子旨在对SiC MOSFET模块，特别是34mm和62mm这两种主流工业封装形式的产品，进行一次深入且量化的技术分析。通过对基本半导体公司（BASiC Semiconductor）系列模块的数据手册、测试数据和应用仿真结果的综合解读，倾佳电子将详细阐述SiC替代IGBT的技术逻辑、带来的显著性能“红利”，并剖析在实际应用中必须关注的关键技术要点，旨在为电力电子领域的工程师和技术决策者提供一个严谨且富有洞见的参考。


第二部分：SiC MOSFET模块的产品谱系与封装创新
SiC功率模块的成功应用离不开先进的封装技术。通过将多颗SiC芯片集成在模块内，不仅能实现更高的电流等级，还能优化热管理和降低寄生参数，为SiC芯片的卓越性能提供坚实支撑。本节将详细分析基本半导体公司在34mm和62mm封装下的SiC MOSFET模块系列，并探讨其封装材料的创新。
2.1 Pcore™2 34mm系列：工业应用的革新者34mm封装系列模块，以其紧凑的尺寸和优异的电性能，成为中等功率工业应用的主力。该系列主要包括BMF60R12RB3 (60A)、BMF80R12RA3 (80A)、BMF120R12RB3 (120A)和BMF160R12RA3 (160A)等产品，均采用1200V耐压和半桥拓扑结构 。这些模块被广泛应用于工业电焊机、感应加热、DC-DC变换器和工业变频器等对功率密度和效率有高要求的场合。  
该系列产品在性能扩展性上表现出清晰的设计逻辑。通过对比不同电流等级模块的关键参数可以发现，额定电流（IDnom​）与导通电阻（RDS(on)​）之间存在近乎完美的线性反比关系。例如，BMF80R12RA3的额定电流为80A，其在25∘C下的典型导通电阻为15mΩ；而BMF160R12RA3的额定电流为160A，其导通电阻则精确地减半至7.5mΩ 。这种可预测的性能扩展性源于模块内部采用的芯片并联技术。在同一封装尺寸内，通过增加并联的SiC芯片数量，可以按比例提升额定电流并降低导通电阻。这一设计理念不仅简化了客户在不同功率等级应用中的产品选型，也充分展现了模块设计的成熟性和可重复性。  


2.2 Pcore™2 62mm系列：大功率应用的破局者
对于储能系统、光伏逆变器和辅助牵引等大功率应用，62mm封装的SiC模块则提供了更强的性能。该系列产品，如BMF360R12KA3 (360A)和BMF540R12KA3 (540A)半桥模块，同样拥有1200V的耐压等级，专为高可靠性、高功率密度和高频率开关应用而设计 。  

这些大功率模块的关键特性在于其超低的传导损耗和优化的动态性能。以BMF540R12KA3为例，其在25∘C下的典型导通电阻（RDS(on)​）低至2.5 mΩ 。这种极低的导通电阻是SiC在大电流应用中实现低传导损耗的基础。此外，该系列模块的另一大亮点是其低杂散电感设计，模块内部杂散电感（  Lσ​）被优化至14nH及以下 。在实际双脉冲测试中，总回路杂散电感通常约为30nH 。这说明模块自身的封装设计已将寄生电感控制在极低水平，而大部分杂散电感来自外部母线和测试夹具。这一细节至关重要，因为它强调了在实际大功率系统设计中，通过优化PCB布局和母线设计来降低外部寄生电感，对于充分发挥SiC高频开关能力、抑制开关过程中的电压尖峰，并确保器件在高  di/dt工况下的安全裕量，是同等重要的。

2.3 材料创新：热管理与可靠性的基石 SiC模块的卓越性能不仅依赖于SiC芯片，更离不开其封装材料的创新。其中，高性能陶瓷覆铜板（AMB）和铜基板扮演着至关重要的角色。
高性能氮化硅（Si3​N4​）陶瓷基板：在模块封装中，陶瓷基板用于提供电气隔离和传导热量。传统上使用的氧化铝（Al2​O3​）和氮化铝（AlN）存在一定的局限性。虽然氮化铝的热导率最高（170 W/mK），但其抗弯强度（350N/mm2）较差，容易在热循环应力下开裂。相比之下，氮化硅（Si3​N4​）的热导率（90 W/mK）虽略逊于氮化铝，但其抗弯强度（700 N/mm2）远超两者 。这种高机械强度使得氮化硅基板不易开裂，并允许使用更薄的基板（典型厚度360µm），从而在实际应用中能获得与氮化铝相近的热阻水平。最关键的是，实证数据表明，经过1000次温度冲击试验后，  
Si3​N4​覆铜板仍能保持良好的接合强度，而Al2​O3​/AlN基板在仅10次温度冲击后就出现了铜箔与陶瓷之间的分层现象 。这种在严苛热循环下的卓越可靠性，构成了SiC模块高稳定性和长寿命的核心技术支撑。  
铜基板与高温焊料：该系列SiC模块普遍采用铜基板，以优化热扩散。铜基板与高性能Si3​N4​陶瓷基板以及高温焊料的结合，共同构成了高效、可靠的热管理系统 。这种“车规级产品设计理念”的引入 ，体现了SiC模块制造商对产品长期可靠性的重视，使其能够满足工业乃至更高标准应用对稳定性的严苛要求。  
表1：SiC MOSFET模块34mm及62mm系列关键参数对比
产品型号封装拓扑VDSS (V)IDnom​ (A)RDS(on)​ (mΩ) @ 25∘CVGS(th).typ​ (V)QG​ (nC)
BMF60R12RB334mm半桥12006021.22.7168
BMF80R12RA334mm半桥12008015.02.7220
BMF120R12RB334mm半桥120012010.62.7336
BMF160R12RA334mm半桥12001607.52.7440
BMF360R12KA362mm半桥12003603.72.7880
BMF540R12KA362mm半桥12005402.52.71320
表2：不同陶瓷基板性能对比
类型热导率 (W/mk)热膨胀系数 (ppm/K)抗弯强度 (N/mm2)断裂强度 (Mpa/m
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Al2​O3​246.84504.2
AIN1704.73503.4
Si3​N4​902.57006.0

第三部分：SiC MOSFET技术替代IGBT的技术逻辑与性能优势深度解析
SiC模块对IGBT的替代，其核心技术逻辑在于SiC材料在传导和开关性能上的本质优势。这些优势相互作用，在高频、高效的应用场景中产生了巨大的性能和经济效益。

3.1 传导性能：低损耗的基石
导通电阻（RDS(on)​）：SiC MOSFET的导通损耗主要由其导通电阻决定。以BMF80R12RA3为例，其$R_{DS(on)}$在$25^{\circ}C$下的典型值为15mΩ，而在最高工作结温175∘C时，该值增至26.7mΩ，增幅约78% 。尽管$R_{DS(on)}$随温度升高而增加，但其在高温下的绝对值仍保持在极低水平，远低于同等电流IGBT的导通压降（  VCE(sat)​）所产生的传导损耗。这一特性使得SiC模块在高负载、高温工况下仍能保持较低的传导损耗，从而降低温升，提升系统效率。
体二极管正向压降（VSD​）：SiC MOSFET的体二极管在反向续流时，其正向压降也是传导损耗的重要组成部分。值得注意的是，SiC MOSFET的体二极管导通压降与其栅极电压（VGS​）密切相关。以BMF80R12RA3为例，在ISD​=80A时，当栅极处于负偏压（VGS​=−4V）时，其体二极管正向压降为4.71V；但当栅极施加正偏压（VGS​=+18V）时，其正向压降可显著降低至1.18V 。这种现象是SiC独有的，通过在反向续流期间开启MOSFET的沟道，电流可优先流经低阻抗的沟道而非体二极管，从而大幅降低续流损耗。这一特性为系统设计者提供了新的优化手段，即通过控制栅极驱动信号来降低续流损耗，这是IGBT所不具备的优势。  
3.2 动态开关特性：高频、高效的催化剂
开关损耗（Eon​,Eoff​）：SiC MOSFET的开关损耗远低于IGBT。IGBT由于少数载流子的注入和复合过程，在关断时会产生一个明显的拖尾电流（Tail Current），导致关断损耗（Eoff​）巨大。而SiC MOSFET作为多数载流子器件，不存在这一现象，其开关过程干净利落，开关损耗（Eon​,Eoff​）极低。例如，BMF80R12RA3在VDS​=800V,ID​=80A的条件下，其开通损耗$E_{on}为2.4mJ，关断损耗E_{off}$为1.0mJ ，且这些损耗随温度上升变化不大。SiC的这一特性使其能够工作在更高的开关频率（  fsw​）下，从而使无源器件（如电感和电容）的体积和重量大幅减小，进而实现更高的功率密度。
反向恢复特性（Err​,Qrr​）：IGBT体二极管的反向恢复特性是其在高频硬开关应用中的主要损耗来源之一。在IGBT关断时，其体二极管中存储的电荷需要时间进行清除，这一过程会产生一个大的反向恢复电流（Irrm​）和反向恢复损耗（Err​）。相比之下，SiC MOSFET的体二极管几乎不存在电荷存储效应。以BMF80R12RA3为例，其反向恢复电荷（Qrr​）在25∘C下仅为0.3μC ，其反向恢复特性几乎可以忽略不计。这从根本上消除了反向恢复损耗，使SiC成为高频硬开关拓扑的理想选择，彻底解耦了效率与开关频率之间的矛盾。  



3.3 模块内部集成SBD：解决可靠性隐患
历史研究曾指出，SiC MOSFET的体二极管在双极导通模式下存在退化风险。该退化机制主要源于基面位错（BPD）诱导的层错（SF）扩展，这些缺陷会随着电流应力逐渐扩大，导致器件的导通电阻（RDS(on)​）漂移和体二极管正向压降（VF​）升高 。这一问题曾是SiC MOSFET在无需外部续流二极管应用中可靠性的主要隐患。  
为了解决这一问题，部分SiC模块，如Pcore™2 E1B和E2B系列，采用了内部集成SiC肖特基势垒二极管（SBD）的设计 。该集成SBD为反向续流电流提供了一条低阻抗的替代路径，从而有效地抑制了体二极管的开启，从物理层面避免了双极导通的发生 。  
通过这一技术创新，制造商成功解决了体二极管的退化问题。实测数据证明了这一设计的有效性：在一个普通的SiC MOSFET中，体二极管导通1000小时后，其导通电阻$R_{DS(on)}$的波动率可高达42%，而采用内部集成SiC SBD的产品，该波动率被成功控制在3%以内 。这一量化数据不仅有力地回击了对SiC长期可靠性的历史质疑，更表明现代SiC模块已具备了更高的长期稳定性和耐用性，是SiC技术走向成熟的显著标志。  

第四部分：量化SiC模块带来的应用“红利”
SiC模块在器件层面的性能优势最终需转化为系统层面的“应用红利”。通过对典型工业应用场景的仿真分析，可以直观地量化SiC模块在效率、功率密度和性能提升方面的巨大价值。
4.1 案例研究一：工业电焊机
工业电焊机是对功率密度、动态响应和效率有高要求的典型应用。本研究对一个20kW全桥拓扑电焊机系统进行了仿真，对比了SiC模块（BMF80R12RA3）与传统IGBT模块（英飞凌1200V 100A和150A）的性能表现 。  
仿真结果显示，SiC模块的优势是革命性的。在相同20kW的输出功率下，SiC模块将开关频率从IGBT的20kHz提升至80kHz，足足提高了四倍。尽管开关频率大幅增加，但SiC模块的总损耗却仅为1200V 100A IGBT模块的一半左右 。这种“低损耗-高频率”的乘数效应，直接使整个系统的整机效率提升了近1.58个百分点。  

这一仿真结果的意义远超简单的效率提升。高开关频率允许使用更小、更轻的变压器、电感和电容，从而大幅减小了电焊机的体积和重量，降低了噪音，实现了更高的功率密度。同时，更快的动态响应速度使输出电流和功率控制更加精准，有助于实施更高质量的焊接工艺。这正是SiC替代IGBT所带来的“巨大红利”的核心体现。
表3：SiC模块（BMF80R12RA3）与传统IGBT模块在工业焊机应用中的仿真数据对比
模块类型开关频率 (kHz)单开关总损耗 (W)总损耗（H桥） (W)整机效率 (%)
SiC MOSFET BMF80R12RA38066.68266.7298.68
IGBT 1200V 100A20149.15596.697.10
IGBT 1200V 150A20101.38405.5298.01注：仿真条件为VDC=540V, Pout​=20kW, TH​=80℃, D=0.9。

4.2 案例研究二：电机驱动系统
电机驱动系统同样是SiC模块的理想应用场景。该研究对一个母线电压800V、相电流300 Arms的三相电机驱动系统进行了仿真，对比了SiC模块（BMF540R12KA3）与IGBT模块（FF800R12KE7）的性能 。  
仿真结果揭示了SiC模块在电机驱动中的两种商业价值。
效率与可靠性优势：在相同输出功率下，SiC模块在12kHz的载波频率下工作，其整机效率高达99.39%，而IGBT模块在仅6kHz的载波频率下，效率为97.25% 。更高的效率直接转化为更低的损耗，使得SiC模块的最高结温（  Tvj​）仅为109.49℃，远低于IGBT的129.14℃ 。这表明，即使在相同的输出功率下，采用SiC模块的系统因其更低的温升，能够获得更高的可靠性和更长的使用寿命。  

功率密度提升优势：在另一组仿真中，研究人员将SiC和IGBT模块的最高结温均限制在175℃，以模拟在相同的散热条件下系统能达到的极限性能。结果表明，SiC模块能够输出高达520.5 Arms的相电流，而IGBT模块的最大输出电流仅为446 Arms 。这一数据表明，在相同热管理和封装尺寸下，SiC模块可实现超过15%的输出功率提升。这为设备制造商提供了清晰的性能升级路径，使其能够在不改变散热系统和设备尺寸的前提下，显著提高设备的输出能力。  


表4：SiC模块（BMF540R12KA3）与传统IGBT模块在电机驱动应用中的性能对比
模块类型开关频率 (kHz)效率 (%)最高结温 (∘C)限制结温下最大输出电流 (A)
SiC MOSFET BMF540R12KA31299.39109.49520.5
IGBT FF800R12KE7697.25129.14446注：仿真条件为VDC=800V, TH​=80℃。

第五部分：SiC模块应用中的技术注意点与解决方案
SiC模块的卓越性能并非没有代价。其极高的开关速度虽然是实现高效率和高功率密度的核心优势，但也带来了传统IGBT应用中不那么突出的技术挑战。这些挑战主要集中在栅极驱动和系统布局上。

5.1 米勒效应与寄生导通风险
在半桥电路中，SiC MOSFET的米勒效应（Miller Effect）是一个必须妥善处理的问题。当上桥臂的SiC MOSFET快速开通时，桥臂中点电压会以极高的dV/dt（电压变化率）迅速上升 。这个高  dV/dt会通过下桥臂MOSFET的栅极-漏极寄生电容（Cgd​）耦合，产生一个米勒电流 。这个米勒电流流经栅极电阻（  RG​），会在栅极-源极之间产生一个正向电压尖峰 。  
由于SiC MOSFET的门槛电压（VGS(th)​）相对较低（典型值2.7V） ，如果这个电压尖峰超过了门槛电压，就会导致本应处于关断状态的下管发生误开通，即所谓的“寄生导通”（Parasitic Turn-on） 。寄生导通会造成桥臂上下管瞬时短路，产生巨大的短路电流，不仅会增加开关损耗，甚至可能导致器件永久性损坏 。  
实测数据验证了这一风险的真实性。在不使用米勒钳位功能时，当上管开通、下管关断时，下管的栅极电压峰值可被顶升至7.3V，这远超过其门槛电压，极易引发寄生导通 。这一现象在高频、高功率密度应用中尤为危险。  

5.2 米勒钳位功能：不可或缺的保护机制
为了有效抑制米勒效应引发的寄生导通，米勒钳位（Miller Clamp）功能已成为SiC MOSFET驱动芯片的必备特性。
工作原理：米勒钳位功能通过在MOSFET关断期间提供一条超低阻抗的栅极电荷泄放路径来工作 。在驱动芯片内部，一个比较器会持续监测MOSFET的栅极电压。当栅极关断信号到来，栅极电压开始下降，一旦降至预设的阈值电压（通常为2V）以下时，该比较器就会反转，迅速导通一个内置的低阻抗MOSFET 。这个内置MOSFET将栅极直接短路至负电源轨，为耦合而来的米勒电流提供了一条近乎零阻抗的旁路。这样，米勒电流就不会流经栅极电阻产生正向电压尖峰，栅极电压被有效地钳位在安全电平，从而彻底消除了寄生导通的风险 。  

解决方案：为简化设计并确保可靠性，采用内置米勒钳位功能的专用驱动芯片是理想选择。例如，基本半导体公司提供的BTD5350MCWR系列驱动芯片，其内置的米勒钳位功能能够直接提供高达10A的峰值拉灌电流，无需额外外置推动级，大大简化了驱动电路设计 。  


5.3 并联与布局优化：发挥SiC潜能的关键 在大电流应用中，多颗SiC芯片或模块的并联是实现更高功率等级的常用方法。然而，并联应用对驱动的一致性和系统布局提出了更高的要求。
并联均流挑战：为了确保多颗并联芯片在开通和关断瞬态期间的均流，需要通过独立的栅极驱动电阻和精心的PCB布局，来保证每颗芯片的驱动信号具有严格的一致性。
米勒钳位在并联中的应用：在并联设计中，为了不影响驱动回路的均流一致性，建议在米勒钳位脚与每个MOSFET的栅极之间串入二极管。这样做可以确保米勒钳位功能对每个MOSFET独立作用，而不会因并联电阻的存在而影响其效能 。  

布局优化：对于高频、高dV/dt和di/dt的SiC应用，PCB布局是决定系统性能和可靠性的关键。必须严格遵循最佳布局实践，将栅极驱动回路与大电流功率回路进行物理隔离，避免任何交叠。使用层压铜平面母线可以最大限度降低杂散电感，减小电压过冲。同时，应避免开关节点与其他敏感信号线（如控制信号）的交叠，以最大限度地降低电磁干扰（EMI） 。  

第六部分：结论与未来展望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；
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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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倾佳电子通过对34mm和62mm封装SiC MOSFET功率模块的详尽技术分析，系统地阐明了其替代传统IGBT模块的技术逻辑、带来的巨大应用红利以及必须关注的关键技术要点。
SiC模块凭借其低导通损耗、近乎零反向恢复损耗的体二极管，以及出色的高温工作能力，实现了远超IGBT的电性能。这些优势在工业电焊机和电机驱动等应用仿真中得到了量化验证：在实现高开关频率的同时，显著降低了系统总损耗，提升了整机效率和功率密度。同时，通过采用先进的Si3​N4​陶瓷基板和内部集成SiC SBD等技术，SiC模块的长期可靠性已得到显著提升，成功解决了历史遗留的体二极管退化问题。
然而，SiC的高速开关特性也带来了米勒效应和寄生导通等挑战。有效的负偏压驱动、特别是具备米勒钳位功能的专用驱动芯片，已成为确保SiC模块在高频、高压应用中稳定可靠运行的必备技术。同时，精心的PCB布局优化，对降低寄生参数和抑制EMI至关重要。
综上所述，SiC MOSFET模块对IGBT的替代已是大势所趋。虽然“全面替代”可能是一个渐进的过程，受限于成本和应用成熟度等因素，但SiC已在性能、效率和可靠性上构建了坚实的技术壁垒。随着SiC技术的持续迭代和生产成本的不断降低，其在电动汽车、可再生能源、储能系统以及工业设备等领域的渗透率将持续加速。SiC正从一个新兴技术，成长为驱动新一代电力电子系统变革的核心引擎。