MOSFETs

Wolfspeed 為 Telcodium 最輕的 5kW 便攜式電站提供動力

Jun 24, 2021

Article

談到“可擕式發電機”時，您會想到什麼呢？笨重，嘈吵，但動力不足。一台讓客戶感到沮喪失望的設備。

客戶先前不得不使用內燃機(ICE)發電機，這些發電機通常很嘈吵、又大又笨重，而且不能在室內使用。相比之下，電力系統通常體積更小、重量更輕，既解決了便攜性問題，又滿足了電源要求。Telcodium為了滿足客戶所需求的全電力輕量電源解決方案而花了一番心思。

Telcodium是一家設計和製造高效電源系統的廠商，是這個領域的專家，通過全新的硬件技術、寬頻隙半導體和基於軟件的控制功能，致力於創建體積更小、運行溫度更冷、更智慧的電源產品。

Telcodium瞭解以創新為中心的電力系統設計方法能夠在廣泛的電氣產品和市場中開闢新的機遇，因此與Wolfspeed合作以獲取現時可用的最佳半導體技術。Wolfspeed是寬頻隙(WBG)技術的領導廠商，也是先進半導體元件的首選供應商，元件效率更高、開關頻率更高、系統尺寸更小和重量更輕。

Side-facing product shot of the Telcodium 5kW portable power station

可擕式發電機主要用於在緊急情況提供備用電源，並且在娛樂領域中越來越受歡迎。此外，它們的使用範圍可以擴展到專業和工業用途，例如為釘槍、噴霧器和其他氣動工具(如可擕式電焊設備、金屬鋸、斜切鋸、圓鋸和磨床)提供動力的空氣壓縮機。這些應用在啟動時需要高持續功率和暫態峰值功率。

對於Telcodium需要滿足的高功率密度、小尺寸和高效率要求，碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等WBG材料是最合適的。此外，SiC和GaN器件具有更低的導通電阻、傳導損耗和反向恢復電流，顯著降低了開關損耗，同時允許在遠遠高於矽(Si)器件的頻率下運行，這可以減小電源所需的電容器、電感器和變壓器的尺寸和重量。

Telcodium為電源應用制定了進取的5 kW設計目標，並使用熟悉的GaN技術完成了初始設計，實施為2電平DC-AC轉換器，也稱為逆變器。使用GaN技術可以實現高度可擕式設計。然而，該公司很快意識到GaN技術存在著一定的局限性。

挑戰高連續峰值功率

工程師設計這個新型逆變器的基礎是：雖然GaN的1.3 W/cmK導熱係數低於 Si的1.5 W/cmK係數，但它在類似電壓下的效率要高得多，這意味著GaN器件的運作溫度低於Si器件。

然而，這項設計在高峰值功率情況下耗散了大量功率，從而導致 GaN 器件過熱和故障。在目標應用中經常遇到高峰值功率情況，因為許多工具需要高扭矩，所以需要高電流消耗以實現“硬啟動”。

人們期待任何為工業工具供電的可擕式逆變器都可以順利應對峰值功率需求，像直接插入式交流連接一樣。因此Telcodium需要另外一種半導體技術解決方案，所以求助於在SiC方面擁有豐富經驗的Wolfspeed公司。SiC具有更高的5W/cmK導熱率，其散熱速度幾乎是GaN的四倍。

為什麼選擇Wolfspeed?

Wolfspeed是最大的垂直集成元件供應商，提供SiC裸片、分立元件和模組，以及評測工具、柵極驅動器、參考設計和免費線上服務。

Wolfspeed在SiC領域擁有超過30年的豐富經驗和專業知識，是獨一無二的。該公司已經在MOSFET、肖特基二極體，以及電源模組產品中使用了SiC技術，在全球範圍實現超過6萬億小時的650 V – 1700 V最終客戶使用時間。

Telcodium最終選擇了在SiC MOSFET領域具有領先性能的Wolfspeed。例如，Wolfspeed技術可確保在寬溫度範圍內實現業內最低和最穩定的R_DS(ON) (圖1)。

圖1：標準化R_DS(ON)對比溫度圖表，顯示Wolfspeed元件相對於競爭產品的性能比較。

Normalized RDS(ON) vs. temperature chart showing Wolfspeed against competing devices. — 圖1：標準化R_DS(ON)對比溫度圖表，顯示Wolfspeed元件相對於競爭產品的性能比較。

而且，Wolfspeed支援生態系統包含了Telcodium所需要的設計諮詢，以及參考設計和功能強大的線上SpeedFit™ 2.0設計模擬器，可快速計算功率損耗並估算最常見拓撲的結溫。

SiC MOSFET滿足要求

Wolfspeed工程師為Telcodium選擇了合適的SiC MOSFET元件C3M0015065K以滿足應用的要求。它是Wolfspeed 650 V MOSFET系列中的成員，該系列器件採用了Wolfspeed行業領先的第三代C3M™ MOSFET技術。與競爭SiC 部件相比，開關損耗降低多達20%，並且提供了最低的導通電阻(R_DS(ON))，實現了具有更高效率和更高功率密度的解決方案。

與Si元件相比，具有15mΩ低導通電阻R_DS(ON)的C3M0015065K MOSFET的開關損耗降低了75%，傳導損耗降低了50%，這使得功率密度有望增加300%。

與來自其他供應商的SiC部件相比，這款650V MOSFET具有更低的開關損耗和傳導損耗(圖 2)、更低的工作溫度上升帶來的導通電阻增加、更低的輸出電容以及更高的開關頻率能力，同時更加易於驅動。

Wolfspeed在Telcodium設備的各個工作點對 SiC MOSFET的熱特性進行了模擬，並證明使用C3M0015065K部件替換GaN 元件有助於保持在額定溫度範圍內並避免損壞。

圖2：與典型的競爭15MΩ SIC MOSFET相比，15MΩ C3M0015065K具有更低的開關損耗和傳導損耗。

Figure 2: The 15mΩ C3M0015065K offers lower switching loss as well as lower conduction loss compared with a typical competing 15-mΩ SiC MOSFET. — 圖2：與典型的競爭15MΩ SIC MOSFET相比，15MΩ C3M0015065K具有更低的開關損耗和傳導損耗。

Telcodium將Wolfspeed的模擬資料集成到一個基於模型的新穎軟體方案中，在每個週期的基礎上監測流過轉換器的電流，並且在某個閾值以上停止開關運作。然而，該公司未能實現這一設計意圖，而且還無法省去昂貴且不可靠的液體冷卻來降低成本。

Telcodium內部稱為的“野獸”，採用高達3 kW的自然對流冷卻運行，為通常不適合強制空氣冷卻的建築工地提供了明顯的好處。

快速啟動問題

Telcodium公司的市場面臨著許多挑戰，通過傾聽客戶的需求來改進產品。高效、輕型、便攜的產品型款採用高開關頻率，但必須使用不適合需要高啟動扭矩之工具的“軟啟動”技術。另一方面，具有允許快速啟動的極高峰值額定功率的型款通常是低開關頻率的基於變壓器設備，它們既不便於攜帶，也不如高頻替代產品那樣高效。

Wolfspeed部件幫助解決了C3M0015065K MOSFET的高峰值電流難題， Telcodium使用基於軟體的技術進一步優化了整個系統，以便安全地為各種負載實現快速啟動時間。

減輕野獸的重量

實現便攜性的關鍵是減低系統重量和尺寸。對於逆變器，其中關鍵是用於散發系統熱量的冷卻系統和用於過濾輸出波形的電感器。

Figure 3: A visualization of a power circuit, showing potential for reducing size and weight by using SiC-based devices. — 圖3：電源電路視圖顯示了使用基於 SIC器件來減小尺寸和重量的潛力。

Wolfspeed C3M0015065K SiC MOSFET解決了這個難題。與二極體顯著限制開關性能的Si基元件不同，C3M0015065K在V_GS = -4 V、I_SD = 55.8 A、VR = 400 V、dif/dt = 4000 A/μs時分別具有510 nC 和 22 ns 的低反向恢復電荷和短恢復時間。因此，該元件可以在比矽元件高出1,000倍的開關頻率下運作，從而使得Telcodium設計人員能夠減小磁性元件的尺寸(圖 3)。

憑藉先前提到的SiC高導熱率以及SiC MOSFET可能實現的高溫運作(T_J = 175°C)，Telcodium能夠減小冷卻系統的尺寸和重量。

帶來的成果使得Telcodium可以使用略多於10.5 lb (4.8 kg)的全新解決方案(參考設計部件編號TD-70-120VDC-120VAC-5kW)替換使用舊式技術的50 lb (22.7 kg)逆變器，新產品的封裝體積也大約為舊系統的三分之一。