Cómo el carburo de silicio de Wolfspeed habilita las fuentes de alimentación conmutadas en modo fuera de línea

La tecnología de Carburo de Silicio (SiC) ha mejorado varios sistemas y componentes de subsistemas en una variedad de aplicaciones. En comparación con el silicio, el Carburo de Silicio ha demostrado una mejor densidad de potencia y eficiencia gracias a un conmutación más rápida, RDS(on) plano sobre temperatura y un mejor rendimiento del diodo de cuerpo. Este artículo explorará cómo los componentes SiC de Wolfspeed permiten que los sistemas SMPS offline destaquen en términos de eficiencia, densidad de potencia y costo total del sistema, especialmente en comparación con los dispositivos de Si y GaN.

Tendencias de SMPS y comparación entre Si, Carburo de Silicio y GaN

Los SMPS fuera de línea son típicamente sistemas de energía ACDC como centros de datos, estaciones base de telecomunicaciones y sistemas de minería de energía. Los centros de datos consumen aproximadamente el 10% de toda la electricidad generada, y si la implementación de SiC ahorra incluso solo el 1% de energía, eso se traduce en tres plantas nucleares (cada una operando a 1 GW).   En comparación con la arquitectura estándar de generación 1 de la industria para centros de datos, la generación 2 eliminó el suministro de energía ininterrumpida y la unidad de distribución de energía de la entrada de CA, cambió el bus de corriente continua de 12 V a 48 V, y añadió un sistema de respaldo de batería al bus de DC (48 V). Debido a estos cambios, la eficiencia general del sistema aumentó al 85%, ahorrando una cantidad de energía equivalente a 27 plantas nucleares.   Las especificaciones típicas para un centro de datos de generación 2 que contiene un rectificador de telecomunicaciones OCP3.0 o HE son las siguientes:

Al analizar cómo R_DS(on) se comporta con respecto a la temperatura, se observa que SiC supera otras tecnologías. Además, la mayoría de las hojas de datos publican R_DS(on) a temperatura ambiente (25˚C), pero los diseñadores deben planificar para temperaturas reales de unión que pueden variar entre 120˚C y 140˚C. Es importante destacar que R_DS(on) se correlaciona con la pérdida I²R (una pérdida por conducción), lo que significa que la calificación de 60-mΩ de SiC es equivalente a 40 mΩ para Si y GaN.   Para una perspectiva más cuantificada sobre cómo SiC se compara con Si y GaN-on-Si, la Figura 2 demuestra cómo mejoran las propiedades de temperatura, el voltaje y el tamaño/paquete al incorporar componentes SiC.

Varios otros parámetros pueden compararse entre las tecnologías, como V_gs, temperatura de unión T_j, R_DS(on), capacitancia y recuperación durante el cambio. Aunque SiC no sobresale en todas las categorías, sí destaca en la mayoría. En cuanto a la temperatura, SiC tiene el T_j,max más alto, lo que resulta en una mayor robustez general, pero no cuenta con la resistencia térmica de unión más baja (R_th). Sin embargo, el R_DS(on) de SiC en la mayoría de las temperaturas de operación es el más bajo, lo que se traduce en menores pérdidas y mayor eficiencia, permitiendo una entrega de potencia máxima. Debido a que GaN no tiene capacidades de avalancha, la energía de avalancha de un pulso único de SiC le proporciona mejor robustez y protección. Además, un V_gs,th más alto aumenta la inmunidad al ruido y facilita su manejo. Con respecto al desempeño de conmutación, GaN puede ofrecer el Q_rr y capacitancia más bajos, pero SiC le sigue de cerca. Esto es importante ya que se relaciona con las pérdidas de conmutación y la eficiencia. En general, Si es fácil de manejar, pero no puede competir con el desempeño de conmutación y las pérdidas. GaN sobresale en desempeño de conmutación pero carece de robustez, y SiC ofrece una solución de eficiencia integral con excelentes propiedades térmicas y pérdidas mínimas.   La Figura 3 muestra una comparación directa entre IPW60R055CFD7 (Si), C3M0060065J (SiC), e IGT60R070D1 (GaN).

Topología PFC y selección de componentes

Tradicionalmente, la tecnología PFC requiere un rectificador de puente con un componente LC, lo que resulta en una configuración simple pero voluminosa y pesada. La industria actual utiliza una topología PFC de impulso activo, que incluye un rectificador y un componente de impulso. Esta configuración es popular para implementar y proporciona un rendimiento adecuado a un costo razonable, pero enfrenta desafíos para cumplir con los últimos estándares de eficiencia. Actualmente, la industria está evolucionando hacia el uso de un diseño PFC sin puente tipo totem-pole (mostrado en la Figura 4) que reduce las pérdidas y aumenta la densidad de potencia. Aquí es donde los MOSFETs SiC pueden aumentar significativamente la eficiencia y satisfacer las necesidades de los diseñadores del futuro.

Existen varias soluciones bridgeless PFC a considerar para un diseño, incluidas las tecnologías MOSFET que abarcan Si, SiC y GaN. Al analizar la cantidad de componentes/costo, densidad de potencia, eficiencia máxima y requisitos de control de compuerta, un diseño PFC de modo de conducción continua (CCM) tipo totem pole que utiliza MOSFETs de SiC es la elección clara para aplicaciones de alta eficiencia y alta densidad de potencia. La Figura 5 presenta una comparación detallada de una variedad de topologías y tecnologías, destacando las claras ventajas de las configuraciones tipo totem pole basadas en SiC.

Al comparar los mismos parámetros clave que antes, GaN sigue teniendo el mejor rendimiento de conmutación pero con un R_DS(on) mucho más alto a lo largo de la temperatura, lo que compromete sus capacidades de entrega de energía. Y con un Vth muy bajo, se vuelve difícil de manejar y propenso al ruido. En términos de eficiencia, las configuraciones CCM de totem-pole PFC basadas en SiC pueden tener mayores eficiencias que las topologías H-bridge basadas en Si y eficiencias similares a las de GaN. Pero, en última instancia, su mayor confiabilidad y temperaturas de operación, junto con sus capacidades de avalancha, lo convierten en la opción más robusta y confiable para un diseño de totem-pole PFC.   Aunque el costo de las soluciones basadas en Si es el más bajo, es más económico implementar SiC en lugar de GaN para una configuración de totem-pole, lo que proporciona un rendimiento de primera a un precio razonable. Se realizó un análisis de costos para el Wolfspeed SiC C3M0060065J en comparación con cinco componentes equivalentes de GaN para un totem-pole PFC de 3 kW, y se descubrió que, al comparar interruptores de potencia, fuentes de polarización, controladores de compuertas e aislamiento, detección de corriente, choques PFC y costos de enfriamiento (disipadores térmicos), algunos de los dispositivos GaN pueden costar hasta un 84% más que SiC.   El CRD-02AD065N es un módulo totem-pole PFC de 2,2 kW de Wolfspeed que utiliza MOSFETs C3M y logra estándares Titanium 80plus (98.8% de eficiencia máxima) mientras mantiene la distorsión armónica total por debajo del 5% en condiciones de carga completa. Los archivos de diseño y materiales de capacitación relacionados están disponibles en el sitio web de Wolfspeed.

Selección de componentes y topología para conversión DC/DC

Otro enfoque que puede lograr las altas eficiencias necesarias para 80plus Titanium es un convertidor resonante LLC (que se muestra en la Figura 6). Esta configuración generalmente proporciona encendido a tensión cero, apagado a corriente baja (lo que resulta en bajas pérdidas de conmutación), conmutación de alta frecuencia, baja sobretensión (lo que lo hace compatible con EMI) y flexibilidad para el control. Esto hace que el LLC sea comparable en términos de eficiencia y densidad de potencia.

Una comparación de parámetros clave mostrará resultados similares a los vistos en la configuración PFC. SiC tiene un rendimiento de conmutación similar al GaN con mejor R_DS(on) en todo el rango de temperaturas, una clasificación de temperatura de unión más alta y capacidades de avalancha, lo que lo convierte en la opción más fiable para dispositivos de potencia usados en el LLC.   El CRD06600DD065N es un ejemplo de diseño de convertidor LLC de 500 kHz por Wolfspeed y entrega 400 VDC (bucle cerrado) o 390–440 VDC (bucle abierto) a un máximo de 6.6 kW con una eficiencia máxima superior al 98%. Los archivos de esquemático/PCB relacionados están disponibles en el sitio web de Wolfspeed para ayudar a iniciar y guiar a un diseñador a través de esta topología.   Entonces, para convertidores LLC, SiC ofrece una potencia similar al Si pero en un factor de forma mucho más pequeño y ligero gracias a los magnéticos integrados y más pequeños al permitir una frecuencia de conmutación más alta (ver Figura 7 para comparación). Los resultados experimentales muestran que, al operar un MOSFET de Si y SiC lado a lado, el componente de SiC (C3M0060065 por Wolfspeed) tiene una mayor eficiencia debido a su R_DS(on) plana sobre la temperatura, conmutación rápida y baja pérdida de potencia de conducción de puerta. Con cargas más pesadas, el componente de Si entra en fuga térmica debido a las altas pérdidas de conducción y conmutación más lenta.

Resumen final 

Para concluir, 80plus Titanium para sistemas SMPS offline requiere una eficiencia muy alta, que el SiC proporciona con un factor de robustez adicional, permitiendo aplicaciones de alta confiabilidad. El SiC puede proporcionar más del 99% de eficiencia con ventajas evidentes para R_DS(on) respecto a la temperatura, una mayor clasificación de temperatura de unión, capacidades de avalancha y con una huella estándar de la industria, lo que lo convierte en la opción más adecuada para dispositivos de potencia utilizados en aplicaciones de convertidor PFC tipo totem-pole y LLC. El SiC se ha convertido en una tecnología establecida que está transformando la industria de la energía en muchas aplicaciones, y dado que Wolfspeed inventó el MOSFET de SiC, hemos visto más de 7 trillones de horas en campo de potencia SiC de Wolfspeed y un portafolio completo de componentes/módulos de SiC que continúan liderando el mercado.