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Power Supply

碳化硅技术如何赋能离线式开关模式电源

Frank Wei
Jan 10, 2022
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碳化硅(SiC)技术推动多种应用和功率系统的设计创新。与硅(Si)相比,SiC 凭借更快的开关速度、在温度范围内平稳的导通电阻 RDS(on) 和更优的体二极管性能,展现出更佳的功率密度和效率。

本文将探讨 Wolfspeed 的 SiC 元件如何赋能离线式 SMPS(开关模式电源)系统在效率、功率密度和整体系统成本方面的优势,尤其是与 Si 和氮化镓(GaN)器件相比较。

SMPS 趋势以及 SiSiC GaN 之间的比较

离线式 SMPS 通常是 ACDC 电源系统,例如数据中心、电信基站和电力挖掘系统等。数据中心消耗约 10% 的总发电量,如果采用 SiC,哪怕只节省 1% 的能源,也相当于节省了三座核电站的发电量(每座核电站装机容量为 1 GW)。

与业界标准的第 1 代数据中心电源架构相比,第 2 代从交流(AC)输入中移除了不间断电源和配电单元,将直流(DC)母线从 12 V 改为 48 V,并在 DC 母线(48 V)上增加了电池备份系统。由于这些变化,整体系统效率提高到 85%,相当于节省了 27 座核电站的能源消耗。

包含 OCP3.0 或 HE 电信整流器的第 2 代数据中心的典型规格如下:

  • 输入电压范围:180-305 VAC
  • 输出功率:3,000 W
  • 输出电压:48 V
  • 效率:峰值效率为 97.5%;负载为30% 至 100% 时,效率为 96.5%
  • 保持时间:20 ms
  • 工作温度范围:0˚C - 55˚C

效率因负载百分比而异,但一般而言,功率因数校正(PFC)需要 99% 以上的效率,而 DC/DC 转换器系统则需要 98.5% 以上的效率。为了满足这些高效率和高功率密度的新要求,电源设计人员必须密切关注拓扑和功率器件。这可以通过比较 Si、SiC 和硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 等技术来实现。

在比较 Si 或 SiC MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)与 GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)之间的物理差异时(如 1 所示),GaN HEMT 的横向结构需要增加其占位面积,以满足更高的功率和不同形式的电流,而 Si 的结构则是纵向的。打个比方,这就像将向上推动电流的垂直“软管”与使电流水平流动的“雨水槽”进行比较。

此外,GaN HEMT 在过电压情况下不会雪崩,这可能会导致灾难性故障。GaN HEMT 的抗短路能力也很差(只有几百纳秒),且晶格热膨胀系数不匹配的话,会导致缺陷。

Illustrated diagram of GaN HEMT devices.
Figure 1: Structure comparison for Si/SiC and GaN HEMT devices

分析 RDS(on) 在温度方面的表现时,可以看到 SiC 优于其他技术。此外,大多数的数据表列只出了室温(25˚C)下的 RDS(on),但设计人员必须针对可能在 120˚C 和 140˚C 之间变化的实际结温进行规划。值得注意的是,RDS(on) 与 I2R 损耗(传导损耗)相关,这意味着 SiC 的 60-mΩ 额定值相当于 Si 和 GaN 的 40 mΩ。

为了更加量化地了解 SiC 与 Si 和 GaN-on-Si 之间的对比情况,图 2 展示了加入 SiC 元件时,温度特性、电压和尺寸/封装的改善情况。

Parameter
SiC
GaN on Si
Silicon
RDS(on) vs Temperature
~1.4×
~2.6×
>2×
Thermal conductivity
Voltage range
600V - 10,000V
40V - 600V
5V - 10,000V
Temperature rating
175°C and above
150°C
150°C
Die Size
2× - 3×
2× - 4×
Cost
1.3× - 2×
0.5 - 0.75×
Field hours
>7 trillion
~20 million
Too many to compute
Packaging
Standard
Custom
Everything
Integration
Power Device Only
Gate driver, protection
Simple thru to high

2SiSiC GaN-on-Si 之间的技术性能比较

可以比较这些技术之间的其他几个参数,例如 Vgs、结温 Tj、RDS(on)、电容和开关恢复。虽然 SiC 并未在每个类别的比较中均胜出,但它确实在大多数技术性能方面表现出色。在温度方面,SiC 具有最高的 Tj,max,因此整体鲁棒性较好,但热结电阻(Rth)并非最低。然而,在大多数工作温度下,SiC 的 R­DS(on) 是最低的,这意味着损耗更低、效率更高,从而实现最大的功率输出。由于 GaN 不具有雪崩特性,而 SiC 的单脉冲雪崩能量使其具有更好的鲁棒性和保护性。此外,更高的 Vgs,th 可提高抗噪性并且更易于驱动。在开关性能方面,GaN 可以提供最低的 Qrr 和电容,SiC 与之相比相差不大。这一点很重要,因为关系到开关损耗。总体来说,Si 易于驱动,但在开关性能方面没有竞争优势。GaN 在开关性能方面表现出色,但缺乏鲁棒性,而 SiC 则提供了全面且稳健的高效率解决方案,具有出色的热性能特性。

图 3 显示了 IPW60R055CFD7 (Si)、C3M0060065J (SiC) 和 IGT60R070D1 (GaN) 之间的直接比较。

Part Number
VGS(th) min(V)
TJ_max (degC)
RDS(on) (mΩ typical)
25°C
RDS(on) (mΩ typical)
75°C
RDS(on) (mΩ typical)
125°C
Coss tr (pF)
Coss er (pF)
Qrr (nC)
Rth (k/w)
IPW60R055CFD7
3.5
150
46
64.4
88.8
1172
114
770
0.7
C3M0060065J
1.8
175
60
63.0
70.0
132
95
62
1.1
IGT60R070D1
0.9
150
55
80.0
108.0
102
80
0*
1

3SiSiC GaN 的关键参数比较

PFC 拓扑和元件选择

传统的 PFC 技术需要带有 LC 元件的桥式整流器,虽配置简单但体积庞大且笨重。现如今,业界采用有源 PFC 升压型拓扑,其中包括整流器和升压元件。这种配置很受欢迎,成本合理且性能足矣,但难以达到最新的效率标准。目前,业界目前正在逐步采用图腾柱无桥 PFC 设计(如图 4 所示),以降低损耗并提高功率密度。SiC MOSFET 正好可以大大提高效率并满足未来设计的需求。

Electrical diagram for a bridgeless totem-pole
Figure 4: Totem-pole bridgeless CCM PFC

设计中需要考虑多种无桥 PFC 解决方案,包括涵盖 Si、SiC 和 GaN 的 MOSFET 技术。分析元件数量/成本、功率密度、峰值效率和栅极控制要求时,采用 SiC MOSFET 的连续传导模式(CCM)图腾柱 PFC 设计是高效率、高功率密度应用的明确选择。 5 展示了各种拓扑和技术的详细比较,突出了 SiC 基 CCM 图腾柱布置的显著优势。

#PFC Choke
#Power Semi-conductor
Power density
Peak Efficiency
Cost
Control
Gate Drive
Si Conventional CCM PFC
1
3+
Medium
98.3%
Low
1
1
Si Active Bridge CCM PFC
1
6
Medium
98.9%
Highest
2
2
Si Dual Boost Bridgeless PFC
2
6
Lower
98.6%
Medium
1
1
Si Dual Boost Bridgeless PFC SR
2
6
Lower
98.9%
High
3
1
Si H Bridge PFC
1
6
High
98.6%
Medium
2
2
Si CrM Totem Pole Bridgeless PFC
2
6
Medium
98.9%
Highest
4
3
SiC CCM Totem Pole Semi-BL PFC
1
4
Highest
98.8%
Medium
2
2
SiC CCM Totem Pole bridgeless PFC
1
4
Highest
99.1%
High
3
3
GaN CCM Totem Pole Semi-BL PFC
1
4
Highest
98.8%
High
2
3
GaN CCM Totem Pole bridgeless PFC
1
4
Highest
99.2%
Highest
3
4
GaN CRM Totem Pole bridgeless PFC
2
6
Medium
99.1%
Highest
4
5

5:无桥 PFC 解决方案和技术的比较

如此前比较关键参数时,GaN 展示了最佳的开关性能,但随温度变化的 RDS(on) 要高得多,这会影响其功率输出能力,且较低的 Vth 使其变得难以驱动且容易被噪音影响。在效率方面,SiC 基 CCM 图腾柱 PFC 配置可以比 Si 基 H-桥拓扑具有更高的效率,且与 GaN 的效率类似。另一方面,更高的可靠性和工作温度及雪崩能力,使SiC成为高可靠性图腾柱 PFC 应用中更合适的选择。

尽管 Si 器件本身的成本最低,但在图腾柱配置中采用 SiC 比采用 GaN 要更具系统成本效益,正可谓以合理的价格点实现了卓越的性能。针对 3-kW 图腾柱 PFC 的五个等效 GaN 元件,对 Wolfspeed SiC C3M0060065J 进行了成本分析,结果发现,在比较电源开关、偏置电源、栅极驱动器和隔离、电流感应、PFC 扼流圈和冷却成本(散热器)时,一些 GaN 器件的成本可能比 SiC 器件成本高出 84% 之多。

CRD-02AD065N 是 Wolfspeed 2.2-kW 图腾柱 PFC 模块,它使用 C3M MOSFET 且达到 80plus 钛金标准(98.8% 峰值效率),并在满载条件下,保持总谐波失真小于 5%。Wolfspeed 网站上提供了设计文件和相关的培训材料。

用于 DC/DC 转换的元件和拓扑选择

另一种可以实现 80plus 钛金标准所需高效率的方法是 LLC 谐振转换器(如 6 所示)。这种配置通常提供零电压开启、低电流关断(带来低开关损耗)、高频率开关、低电压过冲(使其对 EMI 友好)和控制灵活性。这使得 LLC 在效率和功率密度方面具有可比性。

Illustrated electrical diagram of a full/half-bridge converter.
Figure 6: Full-/half-bridge LLC resonant converter

关键参数比较将显示与 PFC 配置中所见类似的结果。SiC 具有与 GaN 相似的开关性能,在整个温度范围内具有更佳的 RDS(on)、更高的结温额定值和雪崩能力,是 LLC 中使用的功率器件的更可靠选择。

CRD06600DD065N 是 Wolfspeed 设计的 500-kHz LLC 转换器的一个示例,可在输出功率达到最大 6.6 kW 时实现 400 VDC 输出(闭环)或 390–440 VDC 输出(开环),峰值效率超过 98%。Wolfspeed 网站上提供了相关的原理图/PCB 文件,以帮助启动和指导设计人员完成此拓扑。

因此,对于 LLC 转换器来说,SiC 提供与 Si 相似的功率,但由于集成且更小的磁性元件,可实现更高的开关频率(参见 7 的比较结果),使其更小型、更轻量。实验结果表明,Si 和 SiC MOSFET 并行运行时,SiC 部件(Wolfspeed 制造的 C3M0060065)由于 RDS(on) 随温度变化平稳、开关速度快、栅极驱动功率损耗低,因此具有更高的效率。在更高负载下,由于高传导损耗和较慢的开关速度,Si 部件会进入热失控状态。

Line graph showing experimental results.
Figure 7: Experimental results of Si vs. SiC in terms of efficiency and output power

当使用 SiC 与 GaN 进行类似测试时,结果表明它们在 LLC 转换器的初级侧具有相当的效率。

结论

总而言之,用于离线式 SMPS 系统的 80plus 钛金标准需要非常高的效率,SiC 可提供额外的鲁棒性因子,从而实现高可靠性应用。SiC 可提供超过 99% 的效率,在温度范围内 RDS(on) 具有的显著优势、更高的结温额定值、雪崩能力以及符合行业标准的占位面积,是图腾柱 PFC 和 LLC 转换器应用中使用的功率器件的最合适选择。

SiC 已成为一种成熟的技术,正在改变电源行业的许多应用,并且通过 Wolfspeed 发明的 SiC MOSFET,我们见证了 Wolfspeed SiC 功率产品超过 7 万亿小时的现场作业,以及完整的 SiC 元件/模块组合继续引领市场。

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