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Power Supply

Wolfspeed 碳化矽技術如何幫助離線式開關模式電源

Frank Wei
Jan 10, 2022
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Article

碳化矽(SiC)技術推動多種應用和功率系統的設計創新。與矽(Si)相比,SiC 憑藉更快的開關速度、在溫度範圍內平穩的導通電阻 RDS(on) 和更優的體二極體性能,展現出更佳的功率密度和效率。

本文將探討 Wolfspeed 的 SiC 元件如何幫助離線式 SMPS(開關模式電源)系統在效率、功率密度和整體系統成本方面的優勢,尤其是與 Si 和氮化鎵(GaN)元件相比較。

SMPS 趨勢以及 Si、SiC 和 GaN 之間的比較

離線式 SMPS 通常是 ACDC 電源系統,例如資料中心、電信基站和電力挖掘系統等。資料中心消耗約 10% 的總發電量,如果採用 SiC,哪怕只節省 1% 的能源,也相當於節省了三座核電站的發電量(每座核電站裝機容量為 1 GW)。

與業界標準的第 1 代資料中心電源架構相比,第 2 代從交流(AC)輸入中移除了不斷電供應系統和配電單元,將直流(DC)母線從 12 V 改為 48 V,並在 DC 母線(48 V)上增加了電池備份系統。由於這些變化,整體系統效率提高到 85%,相當於節省了 27 座核電站的能源消耗。

包含 OCP3.0 或 HE 電信整流器的第 2 代資料中心的典型規格如下:

  • 輸入電壓範圍:180-305 VAC
  • 輸出功率:3,000 W
  • 輸出電壓:48 V
  • 效率:峰值效率為 97.5%;負載為30% 至 100% 時,效率為 96.5%
  • 保持時間:20 ms
  • 工作溫度範圍:0˚C - 55˚C

效率因負載百分比而異,但一般而言,功率因數校正(PFC)需要 99% 以上的效率,而 DC/DC 轉換器系統則需要 98.5% 以上的效率。為了滿足這些高效率和高功率密度的新要求,電源設計人員必須密切關注拓撲和功率元件。這可以通過比較 Si、SiC 和矽基氮化鎵 (GaN-on-Si) 等技術來實現。

在比較 Si 或 SiC MOSFET(金屬氧化物半導體場效應電晶體)與 GaN HEMT(高電子遷移率電晶體)之間的物理差異時(如圖 1 所示),GaN HEMT 的橫向結構需要增加其占位元面積,以滿足更高的功率和不同形式的電流,而 Si 的結構則是縱向的。這就像將向上推動電流的垂直“軟管”與使電流水準流動的“雨水槽”進行比較。

此外,GaN HEMT 在過電壓情況下不會雪崩,這可能會導致災難性故障。GaN HEMT 的抗短路能力也很差(只有幾百納秒),且晶格熱膨脹係數不匹配的話,會導致缺陷。

Illustrated diagram of GaN HEMT devices.

分析 RDS(on) 在溫度方面的表現時,可以看到 SiC 優於其他技術。此外,大多數的資料表列只出了室溫(25˚C)下的 RDS(on),但設計人員必須針對可能在 120˚C 和 140˚C 之間變化的實際結溫進行規劃。值得注意的是,RDS(on) 與 I2R 損耗(傳導損耗)相關,這意味著 SiC 的 60-mΩ 額定值相當於 Si 和 GaN 的 40 mΩ。

為了更加量化地瞭解 SiC 與 Si 和 GaN-on-Si 之間的對比情況, 2 展示了加入 SiC 元件時,溫度特性、電壓和尺寸/封裝的改善情況。

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

可以比較這些技術之間的其他幾個參數,例如 Vgs、結溫 Tj、RDS(on)、電容和開關恢復。雖然 SiC 並未在每個類別的比較中均勝出,但它確實在大多數技術性能方面表現出色。在溫度方面,SiC 具有最高的 Tj,max,因此整體魯棒性較好,但熱結電阻(Rth)並非最低。然而,在大多數工作溫度下,SiC 的 R­DS(on) 是最低的,這意味著損耗更低、效率更高,從而實現最大的功率輸出。由於 GaN 不具有雪崩特性,而 SiC 的單脈衝雪崩能量使其具有更好的魯棒性和保護性。此外,更高的 Vgs,th 可提高抗噪性並且更易於驅動。在開關性能方面,GaN 可以提供最低的 Qrr 和電容,SiC 與之相比相差不大。這一點很重要,因為關係到開關損耗。總體來說,Si 易於驅動,但在開關性能方面沒有競爭優勢。GaN 在開關性能方面表現出色,但缺乏魯棒性,而 SiC 則提供了全面且穩健的高效率解決方案,具有出色的熱性能特性。圖 3 顯示了 IPW60R055CFD7 (Si)、C3M0060065J (SiC) 和 IGT60R070D1 (GaN) 之間的直接比較。

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

PFC 拓撲和元件選擇

傳統的 PFC 技術需要帶有 LC 元件的橋式整流器,雖配置簡單但體積龐大且笨重。現如今,業界採用有源 PFC 升壓型拓撲,其中包括整流器和升壓元件。這種配置很受歡迎,成本合理且性能足矣,但難以達到最新的效率標準。目前,業界目前正在逐步採用圖騰柱無橋 PFC 設計(如 4 所示),以降低損耗並提高功率密度。SiC MOSFET 正好可以大大提高效率並滿足未來設計的需求。

Electrical diagram for a bridgeless totem-pole

設計中需要考慮多種無橋 PFC 解決方案,包括涵蓋 Si、SiC 和 GaN 的 MOSFET 技術。分析元件數量/成本、功率密度、峰值效率和柵極控制要求時,採用 SiC MOSFET 的連續傳導模式(CCM)圖騰柱 PFC 設計是高效率、高功率密度應用的明確選擇。圖 5 展示了各種拓撲和技術的詳細比較,突出了 SiC 基 CCM 圖騰柱佈置的顯著優勢。

#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

如此前比較關鍵參數時,GaN 展示了最佳的開關性能,但隨溫度變化的 RDS(on) 要高得多,這會影響其功率輸出能力,且較低的 Vth 使其變得難以驅動且容易被噪音影響。在效率方面,SiC 基 CCM 圖騰柱 PFC 配置可以比 Si 基 H-橋拓撲具有更高的效率,且與 GaN 的效率類似。另一方面,更高的可靠性和工作溫度及雪崩能力,使SiC成為高可靠性圖騰柱 PFC 應用中更合適的選擇。

儘管 Si 元件本身的成本最低,但在圖騰柱配置中採用 SiC 比採用 GaN 要更具系統成本效益,正可謂以合理的價格點實現了卓越的性能。針對 3-kW 圖騰柱 PFC 的五個等效 GaN 元件,對 Wolfspeed SiC C3M0060065J 進行了成本分析,結果發現,在比較電源開關、偏置電源、柵極驅動器和隔離、電流感應、PFC 扼流圈和冷卻成本(散熱器)時,一些 GaN 元件的成本可能比 SiC 元件成本高出 84% 之多。

CRD-02AD065N 是 Wolfspeed 2.2-kW 圖騰柱 PFC 模組,它使用 C3M MOSFET 且達到 80plus 鈦金標準(98.8% 峰值效率),並在滿載條件下,保持總諧波失真小於 5%。Wolfspeed 網站上提供了設計檔和相關的培訓材料。

用於 DC/DC 轉換的元件和拓撲選擇

另一種可以實現 80plus 鈦金標準所需高效率的方法是 LLC 諧振轉換器(如 6 所示)。這種配置通常提供零電壓開啟、低電流關斷(帶來低開關損耗)、高頻率開關、低電壓過沖(使其對 EMI 友好)和控制靈活性。這使得 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.

關鍵參數比較將顯示與 PFC 配置中所見類似的結果。SiC 具有與 GaN 相似的開關性能,在整個溫度範圍內具有更佳的 RDS(on)、更高的結溫額定值和雪崩能力,是 LLC 中使用的功率元件的更可靠選擇。

CRD06600DD065N 是 Wolfspeed 設計的 500-kHz LLC 轉換器的一個示例,可在輸出功率達到最大 6.6 kW 時實現 400 VDC 輸出(閉環)或 390–440 VDC 輸出(開環),峰值效率超過 98%。Wolfspeed 網站上提供了相關的原理圖/PCB 檔,以幫助啟動和指導設計人員完成此拓撲。

因此,對於 LLC 轉換器來說,SiC 提供與 Si 相似的功率,但由於集成且更小的磁性元件,可實現更高的開關頻率(參見7 的比較結果),使其更小型、更輕量。實驗結果表明,Si 和 SiC MOSFET 並行運行時,SiC 部件(Wolfspeed 製造的 C3M0060065)由於 RDS(on) 隨溫度變化平穩、開關速度快、柵極驅動功率損耗低,因此具有更高的效率。在更高負載下,由於高傳導損耗和較慢的開關速度,Si 部件會進入熱失控狀態。當使用 SiC 與 GaN 進行類似測試時,結果表明它們在 LLC 轉換器的初級側具有相當的效率。

Line graph showing experimental results.

結論

總而言之,用於離線式 SMPS 系統的 80plus 鈦金標準需要非常高的效率,SiC 可提供額外的魯棒性因數,從而實現高可靠性應用。SiC 可提供超過 99% 的效率,在溫度範圍內 RDS(on) 具有的顯著優勢、更高的結溫額定值、雪崩能力以及符合行業標準的占位面積,是圖騰柱 PFC 和 LLC 轉換器應用中使用的功率元件的最合適選擇。

SiC 已成為一種成熟的技術,正在改變電源行業的許多應用,並且通過 Wolfspeed 發明的 SiC MOSFET,我們見證了 Wolfspeed SiC 功率產品超過 7 萬億小時的現場作業,以及完整的 SiC元件/模組組合繼續引領市場。

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