Ahorre en costos de BOM con el nuevo MOSFET C3M 650 V

El incremento del consumo, tanto en Estados Unidos como mundialmente, ocurrirá en parte gracias a la electrificación del transporte (esto incluye a los vehículos eléctricos (VE) y a un incremento de los recursos de computación alrededor del mundo miles de millones de computadoras personales y dispositivos conectados al internet de las cosas (IdC), que depende de un número creciente de granjas de servidores.

Todos los mercados de aplicaciones, particularmente los de VE y computación, se benefician con la disminución del costo del consumo de energía y la cantidad de espacio destinado a brindar la misma (o mayor) funcionalidad por un menor costo (satisfacen la demanda del mercado de forma sostenible y competitiva).

Para triunfar en el mercado de los VE, las compañías necesitan ampliar la gama y disminuir el costo de la lista de materiales Bill of Materials (BOM) para competir efectivamente con el arraigado motor de combustión interna (MCI). Para lograr esa gama adicional, los fabricantes necesitan sistemas de baterías de mayor capacidad, que pueden obtenerse mediante el incremento del tamaño de las baterías o una mayor eficiencia energética. Desafortunadamente, las baterías más grandes también aumentan el peso del vehículo, lo que incrementa velozmente el consumo de energía. Por el contrario, lograr una mejor eficiencia energética gracias al aumento de energía de una batería del mismo tamaño resulta en un menor peso, una buena conservación de la energía y, lo más importante, reduce la "ansiedad de rango" en los clientes.

Por otro lado, en cuanto al área de IT, los costos de energía, enfriamiento y capacidad del centro de datos sobrepasan fácil y rápidamente los costos de hardware iniciales. Los nuevos estándares de eficiencia energética, como el 80 Plus Titanio, buscan reducir estos costos mediante el aumento de la eficiencia del sistema, pero puede ser difícil de lograr sin incrementar los costos de BOM debido a los componentes adicionales utilizados en topologías más complejas.

Se pueden lograr menores costos y mayor eficiencia con carburo de silicio

La solución a estos factores está en el carburo de silicio (SiC). Es una tecnología de semiconducción que ya ha sido ampliamente adoptada para los cargadores de los VE y los suministros de energía para servidores y equipamientos de telecomunicaciones. Sus ventajas por sobre el silicio (Si) lo hacen ideal para los diseños que requieren más densidad de potencia en aplicaciones limitadas por el tamaño.

El carburo de silicio permite una eficiencia de potencia alta y una alta conductividad térmica que están bien adaptadas para aplicaciones de alta densidad de potencia. Los diseños basados en el SiC son más livianos porque soportan mejor el calor y operan en mayores temperaturas ambientales, por lo que requieren soluciones de administración térmica menos voluminosas. También permiten frecuencias de conmutación mayores que requieren magnetos más pequeños y livianos y otros componentes pasivos.

Presentación de la tecnología MOSFET de SiC 650 V de tercera generación de Wolfspeed

Wolfspeed estableció su liderazgo tecnológico en SiC 650 V con la presentación de la sexta generación de diodos Schottky, que posibilitaron los mayores niveles de eficiencia del sistema. Wolfspeed sigue siendo líder gracias a la introducción de los MOSFET de 650 V, 15 mΩ y 60 mΩ (R_DS(on) a 25° C) de tercera generación, que capitalizan las ventajas del carburo de silicio para disminuir más las pérdidas de conmutación y aumentar más la eficiencia energética y la densidad de potencia.

Los nuevos dispositivos C3M0015065D, C3M0015065K, C3M0060065D, C3M0060065J y C3M0060065K están calificados para operar en un amplio rango de temperaturas, que van desde -40° C hasta 175° C, y están disponibles en paquetes de orificios de paso (TO-247-3, TO-247-4) y de montaje superficial (TO-263-7).

Un parámetro clave para buscar en la disminución de pérdidas es una baja resistencia en conducción. Los nuevos MOSFET de Wolfspeed ofrecen las resistencias en conducción más bajas de la industria en un paquete discreto sobre el rango completo de temperatura de operación, con los MOSFET de 60 mΩ especificados para una R_DS(on) de solo 80 mΩ a 175° C.

La carga ultra baja de recuperación inversa (Qrr) de los dispositivos, con el MOSFET de 60 mΩ que ofrece una Qrr de 62 nC, que reduce las pérdidas en la conmutación y permite mayores frecuencias de conmutación que reducirán el tamaño y peso de los transformadores, inductores, capacitores y otros componentes pasivos del sistema.

Para mitigar la preocupación por la capacitancia del dispositivo como otro componente que aumenta las pérdidas en la conmutación mientras que aumenta la frecuencia de conmutación, Wolfspeed logró capacitancias de dispositivos mucho menores para los dispositivos con, por ejemplo, una capacitancia de salida de pequeña señal d_{e solo} 80 pF para los modelos deΩ 60 m y 289 pF para los modelos deΩ 15 m.

Los modelos de dispositivo difieren en los valores especificados de R_DS(on), ID de drenaje de corriente continu_a y los paquetes en los que están disponibles en la Tabla 1.

Tabla 1: Especificaciones clave de los nuevos MOSFET C3M de 650 V

Disminuye los costos de la BOM

Los nuevos dispositivos de SiC 650 V ayudan a disminuir los costos de diferentes maneras. Con hasta un 50 % menos de pérdidas de conducción y hasta un 75 % menos de pérdidas en conmutación, pero con una densidad de potencia tres veces mayor comparada con los MOSFET de 650 V basados en silicio, los dispositivos de Wolfspeed ahorran costos para lograr mayores eficiencias y disminuyen los costos de la BOM en magnetos y aparatos de enfriamiento.

Por ejemplo, una sección CA/CC de un cargador bidireccional a bordo (OBC) de 6.6 kW de un vehículo eléctrico (VE) comprende cuatro IGBT de 650 V, varios diodos y un inductor de 700-µH L1 que contribuye a más del 70 % del costo de la BOM. Una vez implementado el uso de cuatro MOSFET de SiC 650 V, el diseño requiere un L1 de solo 230 µH. Esto disminuye los costos de la BOM en casi un 18 % por sobre el diseño basado en IGBT.

Se aprecian ahorros similares en la sección CC/CC del OBC debido al costo significativamente menor de los magnetos.

Cuadro 1: La comparación del costo del sistema general de la BOM muestra que la solución del cargador basada en el MOSFET de SiC de Wolfspeed resultó en un ahorro del 15 %

En esta aplicación, los costos generales típicos de la BOM son aproximadamente un 15 % menores con el uso de dispositivos de Wolfspeed, mientras que el pico de eficiencia del sistema es del 97 %, comparado con el 94 % de un sistema basado en el Si (Cuadro 1).

Aceleración del tiempo de lanzamiento al mercado con diseños de referencia

Wolfspeed brinda su enorme apoyo a los dispositivos con diseños de referencia, y los nuevos MOSFET no son diferentes en ese aspecto. Para la aplicación de los OBC explicada anteriormente, el equipo de ingeniería de aplicaciones global de la compañía creó un diseño bidireccional de 6.6 kW con un enlace de CC de 380 V a 425 V y una carga de salida de la batería de 250 V a 450 V.

El lado CA/CC usa la topología totem-pole más eficiente y efectiva en cuanto al costo, una que las implementaciones basadas en el Si no pudieron lograr sin comprometer la complejidad y el número de componentes. El lado CC/CC, por otra parte, lleva las frecuencias de conmutación de un rango de 150 kHz a 300 kHz (hasta 3 veces más rápido que las implementaciones de silicio comunes).

Soluciones de diseño de referencia y productos

Diseños de referencia

Explore los MOSFET de SiC 650 V de Wolfspeed, las piezas complementarias y los diseños de referencia para saber más sobre cómo la tecnología MOSFET de SiC de Wolfspeed puede ayudarle a construir mejores productos aptos para las demandas de los dispositivos modernos.

Demostración de los MOSFET de SiC 650 V de Wolfspeed de 60 mΩ (C3M™) en un convertidor bidireccional de 6.6 kW con foco en las aplicaciones de carga incorporada de densidad de potencia alta y gran eficiencia La placa de demostración consiste en una etapa (CA/CC) Totem-Pole PFC bidireccional y una etapa CC/CC bidireccional aislada basada en una topología CLLC con una tensión de enlace CC variable La utilización de la operación de alta frecuencia de conmutación permite que la placa de demostración sea más pequeña, liviana y efectiva en cuanto al costo general La placa de demostración de los OBC de densidad de potencia alta de 6.6 kW de Wolfspeed puede aceptar de 90 VCA a 265 VCA como entrada y brindar de 250 VCC a 450 VCC de salida con un 96.5 % o más de eficiencia en los modos de carga e inversión Las principales aplicaciones de esta placa de demostración incluyen la carga del VE y el almacenamiento de energía La documentación incluye una lista de materiales (Bill of materials, BOM), la disposición esquemática de la placa y notas sobre la aplicación

Evalúe y optimice el rendimiento de conmutación en estado estable y de alta velocidad de los MOSFET C3M™ de SiC de Wolfspeed y los diodos Schottky Analice la placa de evaluación en las topologías de conversión de potencia versátil, tales como un convertidor Buck o Boost sincrónico o asincrónico, en puente medio o puente completo (Nota: La topología de puente completo requiere 2 kits de evaluación) La identificación de características de la placa para 3 y 4 requiere paquetes TO-247 de MOSFET C3M™ de SiC Compatible con paquetes TO-247 y TO-220 de diodos de Schottky de SiC No requiere un capacitor adicional para probar la placa de evaluación en las topologías de un convertidor Buck o Boost Hay dos (2) indicadores de puerta disponibles en la placa para cada MOSFET C3M™ de SiC •  Incluye (2) MOSFET C3M™ de SiCΩ 1200 V y 75 m en un paquete TO-247-4 con el hardware de prueba

Demostración de los MOSFET de SiC 650 V de Wolfspeed, de 60 mΩ (C3M™) en un convertidor CC/CC de alta frecuencia de 6.6 kW enfocándose en las aplicaciones de carga de densidad de potencia alta La placa de demostración consiste en una topología CC-CC LLC, cuyo lado primario se basa en una etapa de puente completo mientras que el lado secundario se basa en una etapa de rectificación secundaria La utilización de la operación de alta frecuencia permite que la placa de demostración sea más pequeña, liviana y efectiva en cuanto al costo general La placa de demostración de la VCC de alta frecuencia de 6.6 kW de Wolfspeed puede aceptar de 380 VCC a 420 VCC y brindar 400 VCC de salida con 96 % o más de eficiencia Las principales aplicaciones de esta placa de demostración incluyen los suministros de energía industriales y los cargadores de EV La documentación incluye una lista de materiales (Bill of materials, BOM), la disposición esquemática de la placa y notas sobre la aplicación

Una solución de bajo costo y muy eficiente para la topología del totem-pole PFC sin puente de 2.2 kW basada en los últimos MOSFET de SiC 650 V de 60 mΩ MOSFET de SiC (C3M™) de Wolfspeed Logre un estándar Titanio cómodamente al tener un 98.5 % o más de eficiencia y un 4 % o más de THD bajo todas las condiciones de carga Una solución para la detección de corriente basada en un resistor innovador Una corriente inductora menos distorsionada en un cruce por cero durante todas las condiciones de carga Reducción de la lista de materiales (BOM) mediante el uso de diodos de propósito general en lugar de conmutaciones de baja frecuencia Las principales aplicaciones de esta placa de demostración incluyen servidores, telecomunicaciones y unidades de suministro de energía (PSU) industrial La documentación incluye una lista de materiales (bill of materials, BOM), la disposición esquemática de la placa y las notas sobre la aplicación