Réduisez les coûts de nomenclature avec le nouveau MOSFET C3M 650V

L'augmentation de la consommation, non seulement aux États-Unis mais dans le monde entier, proviendra en partie de l'électrification des transports, notamment des véhicules électriques (VE), et d'une augmentation des ressources informatiques à travers le monde, des milliards d'ordinateurs personnels ainsi que des appareils connectés dans un Internet des objets (IoT) dépendant d'un nombre croissant de batteries de serveurs.

Tous les marchés d'applications, notamment les véhicules électriques et l'informatique, bénéficient de la réduction du coût de l'énergie consommée et de la quantité d'espace occupée pour offrir la même fonctionnalité ou des fonctionnalités supérieures à un coût inférieur, tout en répondant de manière compétitive et durable à la demande du marché.

Pour réussir sur le marché des véhicules électriques, les entreprises doivent étendre leur gamme et réduire les coûts de nomenclature pour concurrencer efficacement le moteur à combustion interne (MCI) solidement ancré. Pour augmenter l'autonomie, les fabricants ont besoin de systèmes de batterie de plus grande capacité, objectif pouvant être atteint en augmentant la taille de la batterie ou en améliorant son efficacité énergétique. Malheureusement, l'augmentation de la taille de la batterie alourdit le véhicule et augmente ainsi la consommation d'énergie. Inversement, une meilleure efficacité énergétique grâce à une puissance accrue avec une taille de batterie équivalente se traduit par un poids plus faible, une puissance mieux conservée et, plus important encore, réduit "l'anxiété liée à l'autonomie" des consommateurs.

Dans le secteur informatique, en revanche, les coûts d'alimentation, de refroidissement et immobiliers d'un centre de données dépassent facilement et rapidement les coûts matériels initiaux. De nouvelles normes d'efficacité énergétique, telles que 80+ Titanium, visent à réduire ces coûts tout en augmentant l'efficacité du système, mais peuvent être difficiles à mettre en œuvre sans augmenter les coûts de nomenclature en raison des composants supplémentaires utilisés dans des topologies plus complexes.

Coûts réduits, efficacité accrue avec le carbure de silicium

À cet égard, le carbure de silicium (SiC) constitue la solution idéale. Cette technologie de semi-conducteur a déjà été largement adoptée dans les chargeurs pour véhicules électriques, les alimentations électriques de serveurs et les équipements de télécommunications. Ses avantages par rapport au silicium (Si) le rendent idéal pour les conceptions nécessitant plus de densité de puissance dans des applications à taille limitée.

Le carbure de silicium offre une efficacité énergétique élevée et une excellente conductivité thermique particulièrement adaptées aux applications à haute densité de puissance. Les conceptions à base de SiC sont plus légères, car elles gèrent mieux la chaleur et fonctionnent à des températures ambiantes plus élevées, et nécessitent donc des solutions de gestion thermique moins lourdes. Elles permettent également des fréquences de commutation plus élevées qui nécessitent des composants magnétiques plus petits et plus légers et d'autres composants passifs.

Présentation des transistors MOSFET SiC 650V de troisième génération de Wolfspeed

Wolfspeed a établi son leadership technologique dans le 650V SiC avec l'introduction des diodes Schottky de 6e génération offrant les plus hauts niveaux d'efficacité du système. Wolfspeed confirme ce leadership avec l'introduction des transistors MOSFET 650 V de 3^e génération 15 mΩ et 60 mΩ (R_DS(on) à 25°C ), qui exploite mieux les avantages du carbure de silicium pour réduire les pertes de commutation et améliorer l'efficacité et la densité énergétique.

Les nouveaux dispositifs C3M0015065D, C3M0015065K, C3M0060065D, C3M0060065J et C3M0060065K autorisent un fonctionnement sur une large plage de températures allant de –40°C à 175°C, et sont proposés dans des modules traversants (TO-247-3, TO-247 -4) et montés en surface (TO-263-7).

Un paramètre clé à rechercher pour réduire les pertes est une faible résistance à l'état passant. Les nouveaux transistors MOSFET de Wolfspeed offrent les plus faibles résistances à l'état passant du secteur dans un module discret sur l'intégralité de la plage de température de fonctionnement, avec les transistors MOSFET 60-mΩ spécifiés pour un R_DS(on) de seulement 80 mΩ à 175°C.

La charge de récupération inverse (Qrr) très faible des dispositifs, avec le transistor MOSFET 60-mΩ offrant un Qrr de 62 nC, permet de réduire les pertes de commutation et autorise des fréquences de commutation plus élevées qui réduiront la taille et le poids des transformateurs, des inductances, des condensateurs et des autres composants passifs du système.

Pour lutter contre le problème de capacité des dispositifs qui augmente les pertes de commutation à mesure que la fréquence de commutation augmente, Wolfspeed a obtenu des capacités de dispositif beaucoup plus faibles pour les appareils avec, par exemple, une capacité de sortie à petit signal C_oss de seulement 80 pF pour les modèles 60-mΩ et de 289 pF pour les modèles 15-mΩ.

Les modèles du dispositif diffèrent au niveau des valeurs spécifiées de R_DS(on), du courant de drain continu I_D, et des modules disponibles dans le tableau 1.

Tableau 1 : caractéristiques clés des nouveaux transistors MOSFET C3M 650V

Réduction des coûts de nomenclature

Les nouveaux dispositifs SiC 650V permettent la réduction des coûts de plusieurs manières. Avec des pertes de conduction jusqu'à 50 % inférieures et des pertes de commutation jusqu'à 75 % inférieures, et une densité de puissance trois fois supérieure par rapport aux MOSFET 650V à base de silicium, les appareils Wolfspeed permettent non seulement de réduire les coûts en contribuant à atteindre des rendements plus élevés, mais également en réduisant les coûts de nomenclature vers composants magnétiques et appareils de refroidissement.

Par exemple, une section CA/CC classique d'un chargeur embarqué bidirectionnel de 6,6 kW d'un véhicule électrique (EV) comprend quatre IGBT de 650V, plusieurs diodes et une inductance L1 de 700 µH, ce qui correspond à plus de 70 pour cent du coût de la nomenclature. Mise en œuvre à l'aide de quatre MOSFET SiC 650V, la conception nécessite un L1 de seulement 230 µH. Cela permet de réduire les coûts de nomenclature de quasiment 18 pour cent par rapport à la conception basée sur IGBT.

Des économies similaires sont constatées dans la section CC/CC d'OBC en raison d'une réduction significative du coût des dispositifs magnétiques.

Graphique 1: la comparaison globale des coûts de nomenclature du système montre que la solution de chargeur basée sur les MOSFET SiC de Wolfspeed permet de réaliser des économies de 15 %

Dans cette application, les coûts globaux classiques de nomenclature sont environ 15 % inférieurs avec les appareils Wolfspeed, tandis que l'efficacité maximale du système est de 97 %, contre 94 % pour un système à base de Si (graphique 1).

Accélérer la mise en marché avec de nouveaux modèles de référence

Wolfspeed fournit un support étendu pour ses appareils avec des nouveaux modèles de référence, et les nouveaux MOSFET s'inscrivent dans cette tendance. Pour l'application OBC décrite ci-dessus, l'équipe mondiale d'ingénierie des applications de l'entreprise a créé une conception bidirectionnelle de 6,6 kW qui dispose d'une liaison CC de 380 V à 425 V et d'une sortie côté batterie de 250 V à 450 V.

Le côté CA/CC utilise la topologie à mât totémique hautement efficace et rentable, topologie que les implémentations basées sur Si ne pouvaient pas obtenir sans augmenter considérablement la complexité et le nombre de composants. En revanche, le côté CC/CC accepte des fréquences de commutation d'une plage élevée comprise entre 150 kHz et 300 kHz, jusqu'à 3 fois plus rapide que celle des implémentations de silicium classiques.

Solutions de produits et de nouveaux modèles de référence

Nouveaux modèles de référence

Découvrez les MOSFET SiC 650V de Wolfspeed, les pièces d'accompagnement et les nouveaux modèles de référence pour en savoir plus sur la façon dont la technologie MOSFET SiC de Wolfspeed peut vous aider à créer de meilleurs produits adaptés aux exigences des appareils modernes.

Démonstration des MOSFET SiC 650 V, 60 mΩ (C3M™) de Wolfspeed dans un convertisseur bidirectionnel 6,6 kW ciblant des applications de charge embarquées à haute efficacité et haute densité de puissance La carte de démonstration se compose d'un étage PFC (CA/CC) bidirectionnel à pôle totémique et d'un étage CC/CC bidirectionnel isolé basé sur une topologie CLLC avec une tension de liaison CC variable L'utilisation d'un fonctionnement à fréquence de commutation élevée permet à la carte de démonstration d'être plus petite, plus légère et globalement plus rentable La carte de démonstration OBC haute densité de 6,6 kW de Wolfspeed peut accepter 90 VCA-265 VCA en entrée et fournir 250 VCC-450 VCC en sortie avec> 96,5 % d'efficacité en modes chargeur et onduleur Les principales applications cibles de cette carte de démonstration sont les suivantes : recharge de véhicules électriques et stockage d'énergie La documentation inclut une nomenclature (BOM), un schéma, la configuration de la carte et la note d'application

Évaluez et optimisez les performances de commutation en régime permanent et à haute vitesse des MOSFET SiC C3M™ Wolfspeed et des diodes Schottky Analysez la carte d'évaluation dans des topologies de conversion de puissance polyvalentes, telles que convertisseur synchrone/asynchrone à réduction ou augmentation, demi-pont et pont intégral (veuillez noter : la topologie à pont intégral nécessite 2 kits d'évaluation) La carte permet l'utilisation de modules TO-247 à 3 et 4 conducteurs de MOSFET SiC C3M™ Compatible avec les modules TO-247 et TO-220 des diodes Schottky SiC Ne nécessite pas de condensateur supplémentaire pour utiliser la carte d'évaluation dans les topologies de convertisseur à réduction ou augmentation Deux (2) drivers de porte dédiés disponibles sur la carte de chaque MOSFET SiC C3M™ Inclut (2) MOSFET SiC 1200 V, 75mΩ C3M™ dans un module TO-247-4 avec matériel de test

Démonstration des MOSFET SiC 650 V, 60 mΩ (C3M™) de Wolfspeed dans un convertisseur haute fréquence 6,6 kW ciblant des applications à haute densité de puissance La carte de démonstration dispose d'une topologie LLC CC-CC dans laquelle le côté principal est basé sur un étage à pont complet tandis que le côté secondaire est basé sur un étage de rectification asynchrone L'utilisation d'un fonctionnement à fréquence élevée permet à la carte de démonstration d'être plus petite, plus légère et globalement plus rentable La carte de démonstration haute fréquence de 6,6 kW de Wolfspeed peut accepter 380 VCC - 420 VCC en entrée et fournir 400 VCC en sortie avec une efficacité > 96 % Les applications cibles principales de cette carte de démonstration comprennent notamment : alimentations électriques industrielles et chargeurs pour véhicules électriques La documentation inclut une nomenclature (BOM), un schéma, la configuration de la carte et la note d'application

Solution hautement efficace et économique de topologie PFC à pôle totémique sans pont de 2,2 kW basée sur les derniers MOSFET SiC (C3M™) 650 V 60 mΩ de Wolfspeed Mettez facilement en œuvre la norme Titanium avec une efficacité > 98,5 % et un THD < 4 % sous toutes les conditions de charge Solution innovante de mesure de courant basée sur une résistance Courant inducteur sans distorsion au niveau zéro dans toutes les conditions de charge Nomenclature réduite (BOM) grâce à l'utilisation de diodes universelles à la place de commutateurs basse fréquence Les principales applications cibles de cette carte de démonstration incluent notamment : unités d'alimentation électrique pour serveurs, télécommunications et industrie La documentation inclut la nomenclature (BOM), un schéma, la configuration de la carte et une note d'application