Come il carburo di silicio di Wolfspeed abilita gli alimentatori offline a modalità di commutazione

La tecnologia al Carburo di Silicio (SiC) ha migliorato diversi sistemi e componenti di sottosistemi in una varietà di applicazioni. Rispetto al silicio, il Carburo di Silicio ha dimostrato una maggiore densità di potenza e efficienza grazie a una commutazione più veloce, a un RDS(on) stabile alle varie temperature e a migliori prestazioni del diodo intrinseco. Questo articolo esplorerà come i componenti SiC di Wolfspeed permettano ai sistemi SMPS offline di eccellere in termini di efficienza, densità di potenza e costo complessivo del sistema, soprattutto rispetto ai dispositivi in silicio (Si) e nitruro di gallio (GaN).

Tendenze SMPS e confronto tra Si, Carburo di Silicio e GaN

Gli SMPS offline sono generalmente sistemi di alimentazione ACDC, come i data center, le stazioni base delle telecomunicazioni e i sistemi per il mining energetico. I data center consumano circa il 10% di tutta l'elettricità generata e, se l'implementazione del SiC consente di risparmiare anche solo l'1% di energia, ciò equivale a risparmiare l'energia generata da tre centrali nucleari (ciascuna operante a 1 GW).   Rispetto all'architettura di alimentazione standard di Generazione 1 utilizzata nell'industria per i data center, la Generazione 2 ha eliminato il sistema di alimentazione continuativa (UPS) e l'unità di distribuzione dell'energia (PDU) dall'ingresso AC, ha cambiato il bus DC da 12 V a 48 V e ha aggiunto un sistema di backup a batteria al bus DC (48 V). Grazie a queste modifiche, l'efficienza complessiva del sistema è aumentata fino all'85%, risparmiando una quantità di energia equivalente a quella generata da 27 centrali nucleari.   Le specifiche tipiche per un data center di Generazione 2 che contiene un rettificatore OCP3.0 o HE per telecomunicazioni sono le seguenti:

Analizzando il comportamento di R_DS(on) rispetto alla temperatura, si osserva che il SiC supera altre tecnologie. Inoltre, la maggior parte delle schede tecniche indica R_DS(on) a temperatura ambiente (25˚C), ma i progettisti devono considerare temperature di giunzione reali che possono variare tra 120˚C e 140˚C. È importante notare che R_DS(on) è correlato alla perdita I²R (una perdita per conduzione), il che significa che la valutazione di 60 mΩ del SiC equivale a 40 mΩ nel caso del Si e del GaN.   Per una visione più quantificabile di come il SiC si confronta con il Si e il GaN-on-Si, la Figura 2 dimostra come le proprietà termiche, la tensione e il formato/confezione si migliorano integrando componenti in SiC.

È possibile confrontare diversi altri parametri tra le tecnologie, come V_gs, la temperatura di giunzione T_j, R_DS(on), la capacità e il recupero durante il commutamento. Sebbene il SiC non vinca in tutte le categorie, brilla nella maggior parte di esse. Per quanto riguarda la temperatura, il SiC ha il valore più alto di T_j,max, il che si traduce in una maggiore robustezza complessiva, ma non possiede la resistenza termica di giunzione (R_th) più bassa. Tuttavia, l'R_DS(on) del SiC alle temperature operative più comuni è il più basso, il che comporta minori perdite e maggiori efficienze, consentendo così una massima erogazione di potenza. Poiché il GaN non ha capacità di valanga, l'energia di valanga a impulso singolo del SiC gli conferisce una maggiore robustezza e protezione. Inoltre, un V_gs,th più alto incrementa l'immunità al rumore ed è più facile da pilotare. Per quanto riguarda le prestazioni di commutazione, il GaN può fornire il Q_rr e la capacità più bassi, ma il SiC lo segue da vicino. Questo aspetto è importante, poiché incide sulle perdite di commutazione e sull'efficienza. In generale, il Si è facile da pilotare, ma non riesce a competere in termini di prestazioni di commutazione e perdite. Il GaN eccelle nelle prestazioni di commutazione ma manca di robustezza, mentre il SiC offre una soluzione efficiente e robusta a tutto tondo, con ottime proprietà termiche e perdite minime.   La Figura 3 mostra un confronto diretto tra IPW60R055CFD7 (Si), C3M0060065J (SiC) e IGT60R070D1 (GaN).

Topologia PFC e selezione dei componenti

Tradizionalmente, la tecnologia PFC richiede un ponte raddrizzatore con un componente LC, che risulta in una configurazione semplice ma è ingombrante e pesante. L'industria odierna utilizza una topologia PFC boost attiva, che include un raddrizzatore e un componente di boost. Questa configurazione è popolare da implementare e offre prestazioni adeguate a un costo ragionevole, ma fatica a soddisfare gli ultimi standard di efficienza. L'industria si sta attualmente evolvendo verso l'uso di un design PFC bridgeless a "totem-pole" (mostrato in Figura 4) che riduce le perdite e aumenta la densità di potenza. È in questo contesto che i MOSFET SiC possono incrementare notevolmente l'efficienza e soddisfare le esigenze dei progettisti di domani.

Esistono diverse soluzioni PFC senza ponte da considerare per un progetto, incluse tecnologie MOSFET che spaziano tra Si, SiC e GaN. Analizzando il numero di componenti/costo, la densità di potenza, l'efficienza di picco e i requisiti di controllo del gate, una progettazione PFC a totem-pole in modalità di conduzione continua (CCM) che utilizza MOSFET SiC si rivela chiaramente la scelta migliore per applicazioni ad alta efficienza e alta densità di potenza. La Figura 5 mostra un confronto dettagliato tra una varietà di topologie e tecnologie, evidenziando i chiari vantaggi delle configurazioni CCM a totem-pole basate su SiC.

Confrontando gli stessi parametri chiave come in precedenza, il GaN continua ad avere le migliori prestazioni di commutazione, ma con un R_DS(on) molto più elevato in funzione della temperatura, il che compromette le sue capacità di erogazione di potenza. Inoltre, con un Vth molto basso, risulta difficile da pilotare e incline al rumore. In termini di efficienza, le configurazioni PFC a totem CCM basate su SiC possono raggiungere efficienze superiori rispetto alle topologie a ponte H basate su Si e efficienze simili a quelle del GaN. Tuttavia, la maggiore affidabilità e le temperature operative aumentate, insieme alle capacità di valanga, lo rendono la scelta più robusta e affidabile per un design PFC a totem.   Sebbene il costo delle soluzioni basate su Si sia il più basso, è più economico implementare il SiC rispetto al GaN per una configurazione a totem, il che offre prestazioni premium a un prezzo ragionevole. È stata eseguita un'analisi dei costi per il Wolfspeed SiC C3M0060065J rispetto a cinque componenti equivalenti basati su GaN per un PFC a totem da 3 kW, e si è scoperto che, confrontando gli interruttori di potenza, le alimentazioni di bias, i driver di gate e l'isolamento, il rilevamento della corrente, gli induttori PFC e i costi di raffreddamento (dissipatori di calore), alcuni dispositivi GaN possono costare fino all'84% in più rispetto al SiC.   CRD-02AD065N è un modulo PFC a totem da 2,2 kW di Wolfspeed che utilizza MOSFET C3M e raggiunge gli standard 80plus Titanium (efficienza di picco del 98,8%), mantenendo anche la distorsione armonica totale inferiore al 5% a pieno carico. I file di progetto e i materiali didattici correlati sono disponibili sul sito web di Wolfspeed.

Selezione dei componenti e della topologia per la conversione DC/DC

Un altro approccio che può raggiungere le elevate efficienze necessarie per 80plus Titanium è un convertitore risonante LLC (mostrato in Figura 6). Questa configurazione generalmente offre accensione a tensione zero, spegnimento a bassa corrente (che si traduce in basse perdite di commutazione), commutazione ad alta frequenza, sovratensioni ridotte (rendendolo compatibile con EMI) e flessibilità per il controllo. Questo rende il LLC comparabile in termini di efficienza e densità di potenza.

Un confronto dei parametri chiave mostrerà risultati simili a quelli osservati nella configurazione PFC. Il SiC ha prestazioni di commutazione simili al GaN, con un migliore R_DS(on) sull'intera gamma di temperature, una classificazione della temperatura di giunzione più alta e capacità di valanga, rendendolo la scelta più affidabile per i dispositivi di potenza usati negli LLC.   Il CRD06600DD065N è un esempio di progetto di converter LLC a 500 kHz sviluppato da Wolfspeed e fornisce un’uscita di 400 VDC (circuito chiuso) o 390–440 VDC (circuito aperto) a un massimo di 6,6 kW con un’efficienza di picco superiore al 98%. I file di schema/PCB correlati sono disponibili sul sito web di Wolfspeed per aiutare i progettisti a iniziare e a guidarli attraverso questa topologia.   Pertanto, per i convertitori LLC, il SiC offre una potenza simile al Si ma in un formato molto più piccolo e leggero, grazie ai componenti magnetici integrati e più piccoli che consentono una frequenza di commutazione più alta (vedi Figura 7 per il confronto). I risultati sperimentali mostrano che, facendo funzionare un MOSFET Si e uno SiC fianco a fianco, il componente SiC (C3M0060065 di Wolfspeed) ha un’efficienza maggiore grazie al R_DS(on) uniforme rispetto alla temperatura, alla commutazione rapida e alla bassa perdita di potenza del driver di gate. A carichi più pesanti, il componente Si entra in fuga termica a causa delle elevate perdite di conduzione e della commutazione più lenta.

Riepilogo finale 

Per concludere, il Titanium 80plus per sistemi SMPS offline richiede un'efficienza molto elevata, che il SiC offre con un fattore di robustezza aggiuntivo, rendendo possibili applicazioni ad alta affidabilità. Il SiC può garantire più del 99% di efficienza con vantaggi evidenti per R_DS(on) rispetto alla temperatura, una valutazione di temperatura di giunzione più elevata, capacità di valanga e un'impronta standard del settore, rendendolo la scelta più adatta per dispositivi di potenza utilizzati in applicazioni con PFC a polo totem e convertitori LLC. Il SiC è diventato una tecnologia consolidata che sta trasformando l'industria dell'energia in molte applicazioni, e poiché Wolfspeed ha inventato il MOSFET SiC, abbiamo osservato oltre 7 trilioni di ore di funzionamento sul campo da parte dei dispositivi Wolfspeed SiC e un portafoglio completo di componenti/moduli SiC che continuano a guidare il mercato.