碳化硅技術(shù)如何賦能離線式開關(guān)模式電源

碳化硅（SiC）技術(shù)推動(dòng)多種應(yīng)用和功率系統(tǒng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新。與硅（Si）相比，SiC 憑借更快的開關(guān)速度、在溫度范圍內(nèi)平穩(wěn)的導(dǎo)通電阻 RDS(on) 和更優(yōu)的體二極管性能，展現(xiàn)出更佳的功率密度和效率。

本文將探討 Wolfspeed 的 SiC 元件如何賦能離線式 SMPS（開關(guān)模式電源）系統(tǒng)在效率、功率密度和整體系統(tǒng)成本方面的優(yōu)勢(shì)，尤其是與 Si 和氮化鎵（GaN）器件相比較。

SMPS 趨勢(shì)以及 Si、SiC 和 GaN 之間的比較

離線式 SMPS 通常是 ACDC 電源系統(tǒng)，例如數(shù)據(jù)中心、電信基站和電力挖掘系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)中心消耗約 10% 的總發(fā)電量，如果采用 SiC，哪怕只節(jié)省 1% 的能源，也相當(dāng)于節(jié)省了三座核電站的發(fā)電量（每座核電站裝機(jī)容量為 1 GW）。

與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的第 1 代數(shù)據(jù)中心電源架構(gòu)相比，第 2 代從交流（AC）輸入中移除了不間斷電源和配電單元，將直流（DC）母線從 12 V 改為 48 V，并在 DC 母線（48 V）上增加了電池備份系統(tǒng)。由于這些變化，整體系統(tǒng)效率提高到 85%，相當(dāng)于節(jié)省了 27 座核電站的能源消耗。

包含 OCP3.0 或 HE 電信整流器的第 2 代數(shù)據(jù)中心的典型規(guī)格如下：

輸入電壓范圍：180-305 VAC

輸出功率：3,000 W

輸出電壓：48 V

效率：峰值效率為 97.5%；負(fù)載為30% 至 100% 時(shí)，效率為 96.5%

保持時(shí)間：20 ms

工作溫度范圍：0?C - 55?C

效率因負(fù)載百分比而異，但一般而言，功率因數(shù)校正（PFC）需要 99% 以上的效率，而 DC/DC 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)則需要 98.5% 以上的效率。為了滿足這些高效率和高功率密度的新要求，電源設(shè)計(jì)人員必須密切關(guān)注拓?fù)浜凸β势骷?。這可以通過比較 Si、SiC 和硅基氮化鎵 (GaN-on-Si) 等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

在比較 Si 或 SiC MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）與 GaN HEMT（高電子遷移率晶體管）之間的物理差異時(shí)（如圖 1 所示），GaN HEMT 的橫向結(jié)構(gòu)需要增加其占位面積，以滿足更高的功率和不同形式的電流，而 Si 的結(jié)構(gòu)則是縱向的。打個(gè)比方，這就像將向上推動(dòng)電流的垂直“軟管”與使電流水平流動(dòng)的“雨水槽”進(jìn)行比較。

此外，GaN HEMT 在過電壓情況下不會(huì)雪崩，這可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性故障。GaN HEMT 的抗短路能力也很差（只有幾百納秒），且晶格熱膨脹系數(shù)不匹配的話，會(huì)導(dǎo)致缺陷。

Figure 1: Structure comparison for Si/SiC and GaN HEMT devices

分析 RDS(on) 在溫度方面的表現(xiàn)時(shí)，可以看到 SiC 優(yōu)于其他技術(shù)。此外，大多數(shù)的數(shù)據(jù)表列只出了室溫（25?C）下的 RDS(on)，但設(shè)計(jì)人員必須針對(duì)可能在 120?C 和 140?C 之間變化的實(shí)際結(jié)溫進(jìn)行規(guī)劃。值得注意的是，RDS(on) 與 I2R 損耗（傳導(dǎo)損耗）相關(guān)，這意味著 SiC 的 60-mΩ 額定值相當(dāng)于 Si 和 GaN 的 40 mΩ。

為了更加量化地了解 SiC 與 Si 和 GaN-on-Si 之間的對(duì)比情況，圖 2 展示了加入 SiC 元件時(shí)，溫度特性、電壓和尺寸/封裝的改善情況。

圖 2：Si、SiC 和 GaN-on-Si 之間的技術(shù)性能比較

可以比較這些技術(shù)之間的其他幾個(gè)參數(shù)，例如 Vgs、結(jié)溫 Tj、RDS(on)、電容和開關(guān)恢復(fù)。雖然 SiC 并未在每個(gè)類別的比較中均勝出，但它確實(shí)在大多數(shù)技術(shù)性能方面表現(xiàn)出色。在溫度方面，SiC 具有最高的 Tj,max，因此整體魯棒性較好，但熱結(jié)電阻（Rth）并非最低。然而，在大多數(shù)工作溫度下，SiC 的 R-DS(on) 是最低的，這意味著損耗更低、效率更高，從而實(shí)現(xiàn)最大的功率輸出。由于 GaN 不具有雪崩特性，而 SiC 的單脈沖雪崩能量使其具有更好的魯棒性和保護(hù)性。此外，更高的 Vgs,th 可提高抗噪性并且更易于驅(qū)動(dòng)。在開關(guān)性能方面，GaN 可以提供最低的 Qrr 和電容，SiC 與之相比相差不大。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)殛P(guān)系到開關(guān)損耗?？傮w來說，Si 易于驅(qū)動(dòng)，但在開關(guān)性能方面沒有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。GaN 在開關(guān)性能方面表現(xiàn)出色，但缺乏魯棒性，而 SiC 則提供了全面且穩(wěn)健的高效率解決方案，具有出色的熱性能特性。

圖 3 顯示了 IPW60R055CFD7 (Si)、C3M0060065J (SiC) 和 IGT60R070D1 (GaN) 之間的直接比較。

圖 3：Si、SiC 和 GaN 的關(guān)鍵參數(shù)比較

PFC 拓?fù)浜驮x擇

傳統(tǒng)的 PFC 技術(shù)需要帶有 LC 元件的橋式整流器，雖配置簡(jiǎn)單但體積龐大且笨重?，F(xiàn)如今，業(yè)界采用有源 PFC 升壓型拓?fù)?，其中包括整流器和升壓元件。這種配置很受歡迎，成本合理且性能足矣，但難以達(dá)到最新的效率標(biāo)準(zhǔn)。目前，業(yè)界目前正在逐步采用圖騰柱無橋 PFC 設(shè)計(jì)（如圖 4 所示），以降低損耗并提高功率密度。SiC MOSFET 正好可以大大提高效率并滿足未來設(shè)計(jì)的需求。

Figure 4: Totem-pole bridgeless CCM PFC

設(shè)計(jì)中需要考慮多種無橋 PFC 解決方案，包括涵蓋 Si、SiC 和 GaN 的 MOSFET 技術(shù)。分析元件數(shù)量/成本、功率密度、峰值效率和柵極控制要求時(shí)，采用 SiC MOSFET 的連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）圖騰柱 PFC 設(shè)計(jì)是高效率、高功率密度應(yīng)用的明確選擇。圖 5 展示了各種拓?fù)浜图夹g(shù)的詳細(xì)比較，突出了 SiC 基 CCM 圖騰柱布置的顯著優(yōu)勢(shì)。

圖 5：無橋 PFC 解決方案和技術(shù)的比較

如此前比較關(guān)鍵參數(shù)時(shí)，GaN 展示了最佳的開關(guān)性能，但隨溫度變化的 RDS(on) 要高得多，這會(huì)影響其功率輸出能力，且較低的 Vth 使其變得難以驅(qū)動(dòng)且容易被噪音影響。在效率方面，SiC 基 CCM 圖騰柱 PFC 配置可以比 Si 基 H-橋拓?fù)渚哂懈叩男?，且與 GaN 的效率類似。另一方面，更高的可靠性和工作溫度及雪崩能力，使SiC成為高可靠性圖騰柱 PFC 應(yīng)用中更合適的選擇。

盡管 Si 器件本身的成本最低，但在圖騰柱配置中采用 SiC 比采用 GaN 要更具系統(tǒng)成本效益，正可謂以合理的價(jià)格點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了卓越的性能。針對(duì) 3-kW 圖騰柱 PFC 的五個(gè)等效 GaN 元件，對(duì) Wolfspeed SiC C3M0060065J 進(jìn)行了成本分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在比較電源開關(guān)、偏置電源、柵極驅(qū)動(dòng)器和隔離、電流感應(yīng)、PFC 扼流圈和冷卻成本（散熱器）時(shí)，一些 GaN 器件的成本可能比 SiC 器件成本高出 84% 之多。

CRD-02AD065N 是 Wolfspeed 2.2-kW 圖騰柱 PFC 模塊，它使用 C3M MOSFET 且達(dá)到 80plus 鈦金標(biāo)準(zhǔn)（98.8% 峰值效率），并在滿載條件下，保持總諧波失真小于 5%。Wolfspeed 網(wǎng)站上提供了設(shè)計(jì)文件和相關(guān)的培訓(xùn)材料。

用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換的元件和拓?fù)溥x擇

另一種可以實(shí)現(xiàn) 80plus 鈦金標(biāo)準(zhǔn)所需高效率的方法是 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器（如圖 6 所示）。這種配置通常提供零電壓開啟、低電流關(guān)斷（帶來低開關(guān)損耗）、高頻率開關(guān)、低電壓過沖（使其對(duì) EMI 友好）和控制靈活性。這使得 LLC 在效率和功率密度方面具有可比性。

Figure 6: Full-/half-bridge LLC resonant converter

關(guān)鍵參數(shù)比較將顯示與 PFC 配置中所見類似的結(jié)果。SiC 具有與 GaN 相似的開關(guān)性能，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有更佳的 RDS(on)、更高的結(jié)溫額定值和雪崩能力，是 LLC 中使用的功率器件的更可靠選擇。

CRD06600DD065N 是 Wolfspeed 設(shè)計(jì)的 500-kHz LLC 轉(zhuǎn)換器的一個(gè)示例，可在輸出功率達(dá)到最大 6.6 kW 時(shí)實(shí)現(xiàn) 400 VDC 輸出（閉環(huán)）或 390–440 VDC 輸出（開環(huán)），峰值效率超過 98%。Wolfspeed 網(wǎng)站上提供了相關(guān)的原理圖/PCB 文件，以幫助啟動(dòng)和指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員完成此拓?fù)洹?/p>

因此，對(duì)于 LLC 轉(zhuǎn)換器來說，SiC 提供與 Si 相似的功率，但由于集成且更小的磁性元件，可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率（參見圖 7 的比較結(jié)果），使其更小型、更輕量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Si 和 SiC MOSFET 并行運(yùn)行時(shí)，SiC 部件（Wolfspeed 制造的 C3M0060065）由于 RDS(on) 隨溫度變化平穩(wěn)、開關(guān)速度快、柵極驅(qū)動(dòng)功率損耗低，因此具有更高的效率。在更高負(fù)載下，由于高傳導(dǎo)損耗和較慢的開關(guān)速度，Si 部件會(huì)進(jìn)入熱失控狀態(tài)。

Figure 7: Experimental results of Si vs. SiC in terms of efficiency and output power

當(dāng)使用 SiC 與 GaN 進(jìn)行類似測(cè)試時(shí)，結(jié)果表明它們?cè)?LLC 轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)具有相當(dāng)?shù)男省?/p>

結(jié)論

總而言之，用于離線式 SMPS 系統(tǒng)的 80plus 鈦金標(biāo)準(zhǔn)需要非常高的效率，SiC 可提供額外的魯棒性因子，從而實(shí)現(xiàn)高可靠性應(yīng)用。SiC 可提供超過 99% 的效率，在溫度范圍內(nèi) RDS(on) 具有的顯著優(yōu)勢(shì)、更高的結(jié)溫額定值、雪崩能力以及符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的占位面積，是圖騰柱 PFC 和 LLC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中使用的功率器件的最合適選擇。

SiC 已成為一種成熟的技術(shù)，正在改變電源行業(yè)的許多應(yīng)用，并且通過 Wolfspeed 發(fā)明的 SiC MOSFET，我們見證了 Wolfspeed SiC 功率產(chǎn)品超過 7 萬億小時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，以及完整的 SiC 元件/模塊組合繼續(xù)引領(lǐng)市場(chǎng)。

審核編輯：郭婷