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Wolfspeed SiC 助力高斯宝(Gospower)成为中国钛金级 CRPS 领域的引领者

Oct 06, 2021
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随着全球经济好转,对服务器的投资日益加大,以满足商业应用程序、数据中心基础设施和维护式 IT 运营的现代化需求。中国成为增长最快的服务器市场,2021 年第一季度营收增长将近 30%i。赋能更强大的服务器和其他算力设备的是能源,但大量的能源需求也对降低运营成本和实现许多国家/地区(包括中国)设定的气候目标构成挑战。 

深圳市高斯宝电气技术有限公司(Gospower)满足了这一市场对高效电源的需求。该公司成立于 2006 年,专注于开发和生产用于网络设备、游戏计算机、电信系统、储能系统和电动汽车等各种应用的电力电子产品。 

该市场的关键组件是冗余电源,服务器机房和数据中心需要冗余电源来确保高可用性。冗余电源是由两个或多个物理电源组成的电源组的一部分,每个电源可独立运行服务器,因此即使其中一个电源出现故障,服务器也可继续运行。 

Gospower 是此类产品的领先供应商,其产品符合 Intel 针对超融合计算、存储和网络设备的通用冗余电源(CRPS)标准的要求。该公司发起了一项设计 CRPS电源模块的项目,以满足客户对更高功率密度和更高效率的需求。

项目目标

Gospower 的目标是通过 40 mm x 185 mm x 73.5 mm 封装尺寸的 CRPS 提供高达 2.6 kW 的功率,同时满足能源之星 Energy Star 的 80 Plus  钛金效率标准(表 1)。

表1: Energy Star的80 Plus标准和要求。

为了在不牺牲效率的情况下,通过提高开关频率来降低电感器和电容器的尺寸和成本,Gospower 等公司转向采用宽禁带(WBG)半导体器件,如碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。此类半导体器件可被制作得更薄,并具有更低的导通电阻(RDS(ON))、导通损耗、反向恢复电流,可降低开关损耗,并允许在比硅(Si)基器件可能实现的更高频率下工作。 

因此,Gospower 选择了在宽禁带半导体器件方面具有丰富经验和专精技术的供应商合作伙伴。 

为何选择 Wolfspeed?

Wolfspeed 是理想的合作伙伴。该公司在宽禁带半导体创新方面拥有超过 30 年的丰富经验,可提供业界领先的性能和成本效益参数。作为最大的垂直整合供应商,Wolfspeed 提供的产品涵盖 SiC 裸芯片和分立式元件(包括 MOSFET 和肖特基二极管)、功率模块和参考板等等,终端用户现场使用超过 6 万亿小时。

Wolfspeed 的 SiC 技术可在宽泛的温度范围内提供业界更低、更稳定的 RDS(ON)图 1)。

图1:归一化RDS(ON)与温度图表显示Wolfspeed在 RDS(ON) 稳定性方面忧干竞争对手。

此外,公司除了提供元器件外,还通过快速响应和生态系统支持(包括设计咨询、栅极驱动器建议和设计工具 [包括参考设计和强大的 Speedfit™ 2.0 在线设计模拟器])加强与客户的关系。Speedfit™ 可加快对常见拓扑的元器件选择和功率损耗及结温计算。 

Wolfspeed 650 V SiC MOSFET 满足效率要求

有多种 PFC 拓扑可供选择,具体取决于应用程序需求。然而,为了实现最高效率,有一种部分或完全去除高损耗二极管桥的趋势。ii 

例如,工程师可选择双升压半无桥拓扑( 2),该拓扑采用左下角的两个二极管来消除基本无桥 PFC 的浮动接地问题,拆分电感器来避免共模电磁干扰问题。采用硅 MOSFET 能够实现的最高效率约为 95%,占用空间大,需两个电感器,总 BoM 成本更高,因此未能达到 Gospower 的所有项目目标。 

为了达到 96% 的80Plus钛金峰值效率,PFC 电路效率在满负载时需超过 98% ,在低负载时需超过 96%。为了实现这一点,目前最受关注的无桥拓扑是图腾柱( 2)。 

然而,硅 MOSFET的反向恢复对图腾柱 PFC 来说太慢,无法在连续导通模式 (CCM) 下高效运行。尽管图腾柱 PFC 可在临界模式(TM)下高效运行,但为了获得高功率,需要相互交错多个图腾柱电路,而这会增加复杂性和成本。

图2:采用SiC MOSFET实现的双升压半无桥确定方案(左)和全桥演进到图腾柱柘扑(右)。

Wolfspeed 的第三代 650 V SiC MOSFET 具有超低的反向恢复电荷(Qrr),能够解决这一 CCM 图腾柱设计上的挑战。例如,60-mΩ RDS(ON) 型号的 Qrr 仅为 62 nC,这可降低开关损耗并实现更高的开关频率。

这些型号产品还可在整个工作温度范围内以分立封装提供业界领先的更低导通电阻,其中 60-mΩ MOSFET 的额定 RDS(ON) 在 175°C 时仅为 80 mΩ。由于器件电容会随开关频率的提高而增加开关损耗,因此 Wolfspeed 为器件实现的器件电容要低得多。60-mΩ 型号实现的小信号输出电容 Coss 仅为 80 pF,而 15-mΩ 型号的为 289 pF。 

该器件可在 -40°C 至 175°C 的宽泛温度范围内运行,并提供通孔型(TO-247-3、TO-247-4)和表面贴装(TO-263-7)封装,解决了 Gospower 等公司面临的效率、功率密度和元件成本挑战。

克服稳定性问题

在大功率开关应用中,元件可能会受到常因器件不匹配而造成的瞬态短路和过电压的影响。当开启 FET 时,电感负载将储存能量,当关闭 FET 时,可能会使 FET 超过击穿电压进入雪崩区域。 

Gospower 在首次设计图腾柱 PFC 时,采用了以特高频能力著称的 GaN 器件。在 CCM 图腾柱中使用没有强健雪崩能力的 GaN 功率晶体管和 SiC FET,会导致运行不稳定和器件故障。 

雪崩能力在很大程度上取决于击穿能量、EBR 和能量的耗散率,以避免当热产生的载流子超过非本征掺杂浓度时,将器件加热至半导体材料的本征温度。相比 SiC,GaN 的 EBR 更低,导热性也明显较低。 

Wolfspeed 在帮助 Gospower 调试电路时,发现追踪和修复故障会显著延后产品的上市时间。因此,他们采用 Wolfspeed SiC MOSFET 取代了 Gospower 最初选择的开关管。Wolfspeed器件的及时支持以及高性能和易用性,帮助提高了产品可靠性,并缩短了上市时间。

满足效率和端口浪涌要求

Gospower 在使用 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 进行开发时,发现他们的设计没有达到目标效率水平,而且没有通过交流端口浪涌测试。虽然该公司希望以 80 Plus 钛金效率水平在市场上建立竞争优势,但产品还需要在交流线路瞬态工况(包括线路电压上升到额定电压以上时的“浪涌”条件)下足够稳健。他们向 Wolfspeed 寻求建议,他们的 AE 和 FAE 团队通过审查电路和 PCB 布局及时提供现场支持。 

虽然可通过修改或增加限流电路来处理大涌流的问题,但这会增加元件数量和 BOM 成本。Wolfspeed 与 Gospower 通过对控制器固件的电流保护部分进行适当更改,携手解决了这一问题。 

Wolfspeed 支持团队在检查设计时发现,降低效率的因素之一是对共模(CM)扼流圈的选择,特别是在无桥拓扑中,由于 CM 噪声会增加总谐波失真(THD)和降低 PFC,因此这是一个重要的考虑因素。支持团队发现 Gospower 的 CM 扼流圈存在较高的传导损耗,并通过推荐使用更大直径的扼流圈铜线解决了这一问题。 

Wolfspeed 的这种协作设计故障排除对于满足设计目标和上市时间目标至关重要,这不仅提供了 CRPS 要求的 4 kV 浪涌保护,还满足了 6 kV 网络设备构建系统(NEBS)标准规范。

成为效率引领者

Gospower 在无桥图腾柱上采用业界更高性能的 SiC 部件,并得到 Wolfspeed 的快速响应现场设计支持,由此开发了 80 Plus 钛金规范级别的 2.2 kW、2.4 kW 和 2.6 kW 型号的 185mm CRPS 解决方案

图3:Gospower的2.2kW至2.6kW 80 Plus 钛金级CRPS系列的三个型号。

这些型号不仅高效、可靠、经济,而且可在更高的温度下工作,并能以更小的尺寸实现更低的开关损耗、零反向恢复和更高的功率密度等特性。 

这些新产品使 Gospower 成为国内大功率、高效率 CRPS 产品的引领者。 

开发类似开创性设计时如需获得帮助,请访问 wolfspeed.com 联系 SiC 专家。 

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