Wie Wolfspeed Siliziumkarbid Offline-Schaltnetzteile ermöglicht

Die Siliziumkarbid-Technologie (SiC) hat mehrere Systeme und Subsystemkomponenten in einer Vielzahl von Anwendungen verbessert. Im Vergleich zu Silizium hat Siliziumkarbid eine höhere Leistungsdichte und Effizienz durch schnelleres Schalten, ein flaches RDS(on) über die Temperatur hinweg und eine bessere Leistung der Body-Diode gezeigt. Dieser Artikel untersucht, wie Wolfspeed's SiC-Komponenten Offline-SMPS-Systeme (Switched Mode Power Supplies) in Bezug auf Effizienz, Leistungsdichte und Gesamtkosten des Systems, insbesondere im Vergleich zu Silizium- und GaN-Geräten, optimieren.

SMPS-Trends und Vergleich zwischen Si, Siliziumkarbid und GaN

Offline-SMPS sind typischerweise ACDC-Stromsysteme wie Rechenzentren, Telekommunikationsbasisstationen und Stromversorgungssysteme für Mining. Rechenzentren verbrauchen etwa 10 % der gesamten erzeugten Elektrizität, und wenn durch die Implementierung von SiC auch nur 1 % Energie eingespart wird, entspricht dies drei Kernkraftwerken (jeweils mit einer Leistung von 1 GW).   Verglichen mit der branchenüblichen Generation-1-Leistungsarchitektur für Rechenzentren hat Generation 2 die unterbrechungsfreie Stromversorgung und die Stromverteilungseinheit aus dem Wechselstromeingang entfernt, den Gleichstrombus von 12 V auf 48 V umgestellt und ein Batteriesicherungssystem für den Gleichstrombus (48 V) hinzugefügt. Aufgrund dieser Änderungen stieg die Gesamtsystemeffizienz auf 85 %, wodurch eine Energiemenge eingespart wurde, die 27 Kernkraftwerken entspricht.   Die typischen Spezifikationen für ein Generation-2-Rechenzentrum mit einem OCP3.0- oder HE-Telekommunikationsgleichrichter sind wie folgt:

Beim Analysieren des Verhaltens von R_DS(on) in Bezug auf die Temperatur zeigt sich, dass SiC andere Technologien übertrifft. Außerdem geben die meisten Datenblätter R_DS(on) bei Raumtemperatur (25˚C) an, aber Designer müssen mit realen Sperrschichttemperaturen planen, die zwischen 120˚C und 140˚C liegen können. Es ist wichtig zu beachten, dass R_DS(on) mit dem I²R-Verlust (ein Leitungsverlust) korreliert, was bedeutet, dass die SiC-Bewertung von 60 mΩ einer Bewertung von 40 mΩ für Si und GaN entspricht.   Für einen quantifizierteren Vergleich von SiC, Si und GaN-on-Si zeigt Abbildung 2, wie die Temperaturmerkmale, die Spannung und die Größe/Verpackung sich verbessern, wenn SiC-Komponenten integriert werden.

Mehrere andere Parameter können zwischen den Technologien verglichen werden, wie z. B. V_gs, Sperrschichttemperatur T_j, R_DS(on), Kapazität und das Verhalten während des Schaltvorgangs. Obwohl SiC nicht in jeder Kategorie übertrifft, glänzt es in den meisten. In Bezug auf die Temperatur hat SiC die höchste T_j,max, was zu einer insgesamt besseren Robustheit führt, aber nicht ganz den niedrigsten Wärmewiderstand der Sperrschicht (R_th) aufweist. Allerdings ist SiC's R_DS(on) über die meisten Betriebstemperaturen hinweg am niedrigsten, was geringere Verluste und höhere Effizienzen ermöglicht und somit die maximale Leistungsabgabe erlaubt. Da GaN keine Avalanche-Fähigkeiten besitzt, bietet die Einzelimpuls-Avalanche-Energie von SiC eine bessere Robustheit und Schutz. Zudem erhöht eine höhere V_gs,th die Störfestigkeit und ist einfacher anzusteuern. In Bezug auf die Schaltleistung kann GaN die niedrigsten Q_rr und Kapazitätswerte erreichen, aber SiC folgt dicht dahinter. Dies ist wichtig, da es sich auf Schaltverluste und Effizienz auswirkt. Im Allgemeinen ist Si leicht anzusteuern, kann jedoch bei Schaltleistung und Verlusten nicht ganz mithalten. GaN glänzt mit seiner Schaltleistung, weist jedoch Schwächen in der Robustheit auf, während SiC eine rundum robuste Effizienzlösung mit hervorragenden thermischen Eigenschaften und minimalen Verlusten bietet.   Abbildung 3 zeigt einen direkten Vergleich zwischen IPW60R055CFD7 (Si), C3M0060065J (SiC) und IGT60R070D1 (GaN).

PFC-Topologie und Komponentenauswahl

Traditionell erfordert die PFC-Technologie einen Brückengleichrichter mit einer LC-Komponente, was zwar zu einer einfachen Konfiguration führt, jedoch sperrig und schwer ist. Die heutige Industrie verwendet eine aktive Boost-PFC-Topologie, die einen Gleichrichter und eine Boost-Komponente umfasst. Diese Konfiguration ist beliebt in der Implementierung und bietet eine angemessene Leistung zu vertretbaren Kosten, steht jedoch vor der Herausforderung, die neuesten Effizienzstandards zu erreichen. Derzeit entwickelt sich die Industrie hin zu einem bridgeless Totem-Pole-PFC-Design (siehe Abbildung 4), das Verluste reduziert und die Leistungsdichte erhöht. An dieser Stelle können SiC-MOSFETs die Effizienz erheblich steigern und die Anforderungen der Designer von morgen erfüllen.

Es gibt mehrere bridgelose PFC-Lösungen, die für ein Design in Betracht gezogen werden können, darunter MOSFET-Technologien wie Si, SiC und GaN. Bei der Analyse der Komponentenzahl/Kosten, Leistungsdichte, Spitzeneffizienz und Anforderungen an die Gate-Steuerung ist ein Totempfahl-PFC-Design im kontinuierlichen Leitbetrieb (CCM) mit SiC-MOSFETs die klare Wahl für Anwendungen mit hoher Effizienz und hoher Leistungsdichte. Abbildung 5 zeigt einen detaillierten Vergleich verschiedener Topologien und Technologien und hebt die klaren Vorteile von SiC-basierten CCM-Totempfahl-Arrangements hervor.

```html Beim Vergleich der gleichen Schlüsselfaktoren wie zuvor zeigt sich, dass GaN weiterhin die beste Schaltleistung besitzt, jedoch mit einem deutlich höheren R<sub>DS(on)</sub> über die Temperatur, was seine Leistungsabgabe beeinträchtigt. Und aufgrund einer sehr niedrigen V<sub>th</sub> wird es schwierig, ihn anzusteuern, was ihn anfälliger für Störungen macht. Bezüglich der Effizienz können SiC-basierte CCM-Totempfahl-PFC-Konfigurationen eine höhere Effizienz als Si-basierte H-Brücken-Topologien sowie eine ähnliche Effizienz wie GaN aufweisen. Letztlich machen jedoch die höhere Zuverlässigkeit und Betriebstemperatur zusammen mit den Avalanche-Fähigkeiten SiC zur robusteren und zuverlässigeren Wahl für ein Totempfahl-PFC-Design.   Obwohl die Kosten für Si-Lösungen am niedrigsten sind, ist es günstiger, SiC anstelle von GaN für eine Totempfahl-Konfiguration zu implementieren, was Hochleistungsfähigkeit zu einem angemessenen Preis ermöglicht. Eine Kostenanalyse wurde für den Wolfspeed SiC C3M0060065J im Vergleich zu fünf gleichwertigen GaN-Komponenten für einen 3-kW-Totempfahl-PFC durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, dass beim Vergleich von Leistungsschaltern, Bias-Versorgungen, Gate-Treibern und Isolation, Strommessung, PFC-Drosseln und Kühlkosten (Kühlkörper) einige der GaN-Geräte bis zu 84 % mehr kosten können als SiC.   CRD-02AD065N ist ein Wolfspeed 2,2-kW-Totempfahl-PFC-Modul, das C3M-MOSFETs verwendet und die 80plus-Titanium-Standards (98,8 % Spitzenwirkungsgrad) erreicht, während gleichzeitig die Gesamtharmonische Verzerrung unter Volllastbedingungen unter 5 % bleibt. Design-Dateien und zugehörige Schulungsmaterialien sind auf der Wolfspeed-Website verfügbar. ```

Komponenten- und Topologieauswahl für DC/DC-Wandlung

Ein anderer Ansatz, der die für 80plus Titanium erforderlichen hohen Wirkungsgrade erreichen kann, ist ein LLC-Resonanzwandler (siehe Abbildung 6). Diese Konfiguration ermöglicht in der Regel das Einschalten bei Nullspannung, das Ausschalten bei niedrigem Strom (was zu geringen Schaltverlusten führt), Hochfrequenzschaltung, eine niedrige Überspannung (was sie EMI-freundlich macht) und Flexibilität für die Steuerung. Dadurch wird der LLC in Bezug auf Effizienz und Leistungsdichte vergleichbar.

Ein Vergleich der wichtigsten Parameter zeigt ähnliche Ergebnisse wie bei der PFC-Konfiguration. SiC weist eine ähnliche Schaltleistung wie GaN auf, bietet jedoch einen besseren R_DS(on) über den gesamten Temperaturbereich, eine höhere zulässige Sperrschichttemperatur sowie Avalanche-Fähigkeiten, wodurch es die zuverlässigere Wahl für Leistungsgeräte in der LLC ist.   Der CRD06600DD065N ist ein Beispiel für ein 500-kHz-LLC-Wandlerdesign von Wolfspeed und liefert 400 VDC (Closed-Loop) oder 390–440 VDC (Open-Loop) bei maximal 6,6 kW mit einer Spitzenwirkungsgrad von über 98 %. Die zugehörigen Schaltplan-/PCB-Dateien sind auf der Wolfspeed-Website verfügbar, um Designer beim Start und der Implementierung dieser Topologie zu unterstützen.   Für LLC-Wandler liefert SiC ähnliche Leistung wie Si, jedoch in einem wesentlich kleineren, leichteren Formfaktor aufgrund der integrierten und kompakteren Magnetbauteile, die durch die Ermöglichung höherer Schaltfrequenzen erreicht werden (siehe Abbildung 7 zum Vergleich). Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass bei parallel betriebenen Si- und SiC-MOSFETs der SiC-Baustein (C3M0060065 von Wolfspeed) eine höhere Effizienz aufweist, dank des gleichbleibenden R_DS(on) über die Temperatur, schneller Schaltgeschwindigkeit und geringem Gate-Treiber-Verlust. Bei höheren Lasten gerät das Si-Bauelement aufgrund hoher Leitungsverluste und langsamerer Schaltgeschwindigkeit in den thermischen Durchbruch.

Abschließende Zusammenfassung 

Abschließend erfordert 80plus Titanium für Offline-SMPS-Systeme eine sehr hohe Effizienz, die durch SiC bereitgestellt wird, mit einem zusätzlichen Robustheitsfaktor, der hochzuverlässige Anwendungen ermöglicht. SiC kann mehr als 99 % Effizienz bieten, mit offensichtlichen Vorteilen bei R_DS(on)-Werten über die Temperatur, einer höheren maximalen Sperrschichttemperatur, Avalanche-Fähigkeiten und einem branchenüblichen Footprint, wodurch es zur besten Wahl für Leistungskomponenten in Totem-Pole-PFC- und LLC-Konverter-Anwendungen wird. SiC hat sich als etablierte Technologie entwickelt, die die Energieindustrie in vielen Anwendungen transformiert. Da Wolfspeed das SiC-MOSFET erfunden hat, verzeichnen wir über 7 Billionen Betriebsstunden von Wolfspeed-SiC-Leistung und eine komplette Palette von SiC-Komponenten/Modulen, die weiterhin den Markt anführen.