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[分享] 第三代 650V SiC MOSFET进一步利用了碳化硅的优势

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发表于 2020-7-31 22:21:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
随着数据中心、电动汽车 (EV)、储能系统 (ESS)、不间断电源 (UPS) 和便携式电源市场需求的不断增加,对于更高效率电源解决方案的要求也在不断提高。

由美国联邦政府支持的能源之星ENERGY STAR® 计划,提供一种简单而公正的方法来评估多种电气产品的能效,包括计算机、数据中心设备、电器、办公设备、供暖和制冷以及许多建筑产品。多家《财富》500 强公司遵循美国环境保护署 (EPA) 的准则生产高能效产品,以改善环境,包括空气质量等。据估计,仅 2017 年一年,经能源之星 ENERGY STAR 认证的产品就节约了超过 300 亿美元。

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与此同时,最初的 80 PLUS® 计划促进了计算机电源实现至少 80% 的效率。那么,低效率的电源又会带来什么呢?浪费的能量将转化为热量。为了满足数量不断增长的数据中心的需求,继80 PLUS之后又推出了 80 PLUS Titanium标准,要求电源实现高达 96% 的效率。由于其高效率要求,80 PLUS Titanium标准成为该计划最难获得认证的标准。

许多电源制造商快速推进,以期满足这些要求,从而保持竞争力。要实现提高效率、减少开关损耗并缩小整体尺寸的目标,则需要攻克很多设计难题。

设计需要进行哪些权衡,如何实现优化?

设计挑战
设计在400V 范围内高效率AC/DC电源的目标包括:
  • 满足能源标准的明确途径
  • 实现紧凑尺寸
  • 降低总体成本
  • 实现高效热管理
  • 尽可能降低电磁干扰


这些高大上的目标说起来容易做起来难。而若要满足能源之星 ENERGY STAR 和 80 PLUS Titanium 等能源标准,则更具挑战性。

没有可达到 100% 效率的电源设计。如今,大多数开关电源可实现约 94% 至 95% 的效率,剩下的 5% 则转化为热量形式的损耗。据估计,效率提高 1% 等于散热减少 10%。这意味着高效率电源将只需要较小的散热器和较小的组件,例如电磁线圈和电容器。因此整体产品尺寸也将更小。更重要的是,总系统成本也会降低。那么,制造商们该如何突破效率屏障呢?

突破效率屏障
Wolfspeed 先前推出了第六代肖特基二极管,实现更高水平的系统效率,从而确立了其在 650V 碳化硅 (SiC) 领域的技术领先地位。Wolfspeed 这次推出了第三代 15-mΩ 和 60-mΩ(25°C 条件下的导通电阻RDS(on))650V MOSFET 以继续保持领先地位。新款产品进一步利用了碳化硅的优势,可降低开关损耗,提高功率效率和功率密度。

新款器件 C3M0015065D、C3M0015065K、C3M0060065D、C3M0060065J 和 C3M0060065K 符合在–40°C 至 175°C 温度范围内运行的要求,并提供通孔型(TO-247-3、TO-247-4)和表面贴装(TO-263-7)封装。


降低损耗的一个关键参数是低导通电阻。电阻越高,则导通损耗和以热量形式的能量浪费就会越多。Wolfspeed 新型 MOSFET 采用分立封装,在整个工作温度范围内,提供业内最低的导通电阻。其中 60-mΩ MOSFET 的额定 RDS(on) 在 175°C 时仅为 79 mΩ,可实现99%功率效率。

新款器件同时拥有超低反向恢复电荷 (Qrr),其中60-mΩ MOSFET 的反向恢复电荷 (Qrr) 仅为 62 nC。与采用硅基的硬开关应用相比,将显著降低开关损耗。这又将实现更高的开关频率,从而减小系统中的变压器、电感器、电容器和其他被动元件的尺寸和重量。

为了减少寄生电容增加开关频率也会增加开关损耗的担忧,Wolfspeed 实现了低很多的器件寄生电容,其中 60-mΩ 型号的小信号输出电容 Coss 仅为 80 pF,而 15-mΩ 型号的仅为 289 pF。

连锁效应
效率的提升,将如何影响电源单元 PSU 的电路设计和物料清单 BOM 成本:
  • 更有效的热管理将可以带来更小尺寸的散热器,从而减小电源单元 PSU 的重量和尺寸。
  • 可以采用更小尺寸和更少数量的元件,从而降低电源单元 PSU 的物料清单 BOM 成本。
  • 高功率效率助力满足电源单元 PSU 的行业标准(能源之星 ENERGY STAR 和 80 PLUS Titanium)。
  • 降低整个电源单元 PSU 的系统成本,更轻松地实现利润目标。


更高的功率效率将如何减少所使用元件的尺寸和数量。较高的频率值等于 L 和 C 的较小值,即较小的电磁线圈和电容器。更高的功率效率(近 99%)有助于电源单元 PSU 达到 80 PLUS Titanium标准的要求,从而使得整个数据中心的总体拥有成本更低。

如何叠加Wolfspeed C3M SiC 650V MOSFET 系列优势?
与业内 650V 硅基 MOSFET 相比,Wolfspeed 可使得导通损耗降低达 50%,开关损耗降低达 75%,并且体二极管中的反向恢复电荷几乎为零。

与硅基氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 相比,Wolfspeed 可以降低50%以上导通损耗,并且碳化硅 MOSFET 技术具有更高的现场验证可靠性。

最后,与其他碳化硅 (SiC) MOSFET 解决方案相比,Wolfspeed 在 650V 碳化硅 (SiC) MOSFET 类别中具有业内最低的导通电阻,并且在温度范围内的导通电阻变化最小,从而进一步简化了系统的热管理。

获取参考设计支持
Wolfspeed 为器件产品提供广泛的支持,其中包括参考设计。新款 MOSFET 也不例外。对于上面所讨论的数据中心服务器电源应用,公司的全球应用工程团队开发了 2.2 kW AC/DC PFC参考设计,在图腾柱拓扑中采用C3M0060065K 60m MOSFET。而这是硅基方案在不权衡妥协其复杂性和元件数量的前提下所无法实现的。

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