Карбид-кремниевые 650 В MOSFET от Wolfspeed – прямой путь повышения КПД

18 ноября

телекоммуникацииуправление питаниемуправление двигателемWolfspeed (A Cree Company)статьядискретные полупроводникиMOSFETIGBTDSPAC-DCESDККМLDODC-DCMotor Drive

Вера Ефремова (г. Екатеринбург)

650 В карбид-кремниевые (SiC) MOSFET компании Wolfspeed имеют самый низкий в отрасли показатель сопротивления открытого канала и наименьшую его зависимость от температуры, что дает им преимущество не только перед обычными кремниевыми (Si) 650 В MOSFET, но и перед нитрид-галлиевыми транзисторами.

В мире неуклонно растет энергопотребление: увеличивается доля электротранспорта, в том числе количество электромобилей, растут вычислительные ресурсы – миллиарды персональных компьютеров, устройства IoT, дата-центры.

Проблема эффективности использования электроэнергии актуальна во всех отраслях. От КПД устройства зависит не только стоимость владения, но также цена и габариты, и, как следствие, его конкурентоспособность на рынке.

Карбид кремния (SiC) – материал, используемый при производстве таких полупроводниковых приборов, как диоды, MOSFET-транзисторы и высоковольтные тиристоры. По сравнению с традиционными материалами, такими как кремний и даже нитрид галлия (GaN), карбид кремния обеспечивает более высокую теплопроводность и значительно меньшие потери, а также устойчивость к лавинным пробоям, что позволяет избежать катастрофических отказов и обеспечивать высокую надежность даже в условиях перенапряжения. Это делает SiC идеальным полупроводником для конструкций с высокой удельной мощностью в приложениях, где требуется компактность и эффективность.

Компания Wolfspeed, лидирующая на рынке полупроводниковых приборов на основе SiC, представляет новые транзисторы – 650 В MOSFET третьего поколения с низким сопротивлением открытого канала RDS и сверхнизким зарядом обратного восстановления Qrr.

Рассмотрим, как их применение может улучшить характеристики силовых преобразователей и источников питания, а также привести к уменьшению их размеров и стоимости.

Как 650 В MOSFET на основе SiC позволяют улучшить зарядные устройства

Для систем питания, бортовых и внешних зарядных устройств электромобилей вопрос энергоэффективности стоит достаточно остро. Для того, чтобы успешно конкурировать с автомобилями, использующими двигатели внутреннего сгорания, производителям необходимо расширить ассортимент продукции и снизить затраты на материалы.

Наиболее критичным параметром для пользователей является запас хода. Увеличение запаса хода электромобилей можно обеспечить установкой аккумулятора большей емкости либо повышением эффективности использования запасенной энергии. В первом случае повышение емкости аккумулятора приведет к увеличению его размеров и стоимости, более продолжительной зарядке, увеличению веса автомобиля и, как следствие, большему расходу энергии. В свете этого увеличение энергоэффективности систем питания электромобилей видится наилучшим выходом.

Традиционные схемы коррекции коэффициента мощности (ККМ, PFC), основанные на кремниевых полупроводниковых приборах, не могут обеспечить требуемый КПД без введения дополнительных компонентов и повышения сложности конструкции. В то же время переход на SiC MOSFET позволяет разработчикам систем питания добиться соответствия самым строгим требованиям к энергоэффективности без дополнительных затрат.

Применение 650 В MOSFET с низким сопротивлением в открытом состоянии ведет к снижению потерь проводимости. Помимо этого, физические свойства карбида кремния позволяют минимизировать влияние  температуры на параметры транзистор и сохранить высокую эффективность при полной нагрузке и перегрузках.

Использование именно SiC MOSFET в DC/DC-преобразователе играет решающую роль при управлении малой и пиковой мощностью нагрузки, что значительно снижает потери в этих режимах.

Благодаря снижению мощности потерь транзисторов снижается сложность, размеры, вес и стоимость системы охлаждения в изделии.

Двунаправленный бортовой преобразователь для заряда батарей электромобилей

Как показывает практика, бортовые зарядные устройства (OBCs – On-Board Chargers) электромобилей (рисунок 1) используются чаще, чем стационарные устройства быстрой зарядки. По статистике, в процессе жизненного цикла электромобиля более половины (51%) всех зарядных процессов пользователи осуществляют дома, а еще 16% приходятся на время, когда электромобили подключены к сети на работе.

Силовые преобразователи бортовых зарядных устройств для аккумуляторных систем электромобилей – это еще один показательный пример, в котором 650 В SiC MOSFET демонстрируют явные  преимущества, позволяя разработчикам повышать эффективность при возможности реализации двунаправленного режима работы стандартных схемотехнических решений, усложнения конструкции.

Использование SiC MOSFET приводит к значительному уменьшению размеров и веса бортовых зарядных устройств. В то же время двунаправленность бортовых зарядных устройств предоставит конечному пользователю возможность отдавать в случае необходимости часть энергии обратно в сеть, обеспечивать энергией устройства, работающие от переменного тока, или, например, поделиться энергией с другим электромобилем, у которого закончился заряд.

Рис. 1. Конструкция бортовых зарядных устройств на основе 650 В SiC MOSFET объединяет в одном корпусе двунаправленный (totem pole) ККМ и AC/DC

Рис. 1. Конструкция бортовых зарядных устройств на основе 650 В SiC MOSFET объединяет в одном корпусе двунаправленный (totem pole) ККМ и AC/DC

Снижение потерь проводимости до 50% и коммутационных потерь до 75%, а также увеличение плотности мощности по сравнению с кремниевыми 650 В MOSFET в три раза ведет не только к сокращению расходов для конечных пользователей вследствие увеличения КПД, но и к уменьшению стоимости комплектации преобразователя за счет возможности использования более компактных и поэтому – более дешевых индуктивностей и систем охлаждения.

Рассмотрим для примера типичную секцию AC/DC-преобразователя для двунаправленного бортового зарядного устройства электромобиля (EV) мощностью 6,6 кВт, состоящую из четырех IGBT 650 В, нескольких диодов и индуктивности L1 емкостью 700 мкГн, доля которой в себестоимости может составлять  более 70%. Альтернативная конструкция, реализованная с использованием четырех 650 В SiC MOSFET, работающих на более высокой частоте, требует индуктивности номиналом всего 230 мкГн. Это снижает общую себестоимость изделия почти на 18% по сравнению с конструкцией на базе IGBT.

Аналогичная ситуация наблюдается для каскада DC/DC из-за значительно более низкой стоимости трансформатора и индуктивности.

В данном случае общие затраты на компоненты получаются примерно на 15% ниже, а пиковый КПД системы составляет 97%. Для сравнения, КПД аналогичной системы на основе Si составляет всего 94% (рисунок 2).

Рис. 2. Сравнение стоимости спецификаций систем на основе Si MOSFET и SiC MOSFET показывает 15% выгоду при использовании SiC MOSFET

Рис. 2. Сравнение стоимости спецификаций систем на основе Si MOSFET и SiC MOSFET показывает 15% выгоду при использовании SiC MOSFET

Преодоление барьера эффективности источников питания с помощью SiC MOSFET

SiC MOSFET Wolfspeed привлекательны не только для бортовых зарядных устройств электромобилей, но и для любых энергосистем, требующих высокой плотности мощности и энергоэффективности.

В качестве примера можно привести серверные источники питания, источники бесперебойного питания, системы накопления энергии и многое другое.

Затраты на электроэнергию, охлаждение и аренду центров обработки данных в течение короткого срока превышают первоначальные затраты на оборудование.

Еще в 1992 году одним из стимулов внедрения более эффективных систем электропитания в промышленном и потребительских рынках стал стандарт Energy Star®. Этот стандарт сформировал общепринятые способы оценки эффективности многих электрических продуктов, включая компьютеры, серверное и телекоммуникационное оборудование, бытовую технику, оргтехнику, системы климат-контроля и тд.

Например, программа Energy Star 80 PLUS® способствовала достижению для блоков питания КПД не менее 80%. Не так давно был запущен стандарт 80 PLUS Titanium. Для того, чтобы пройти сертификацию по этому стандарту и иметь конкурентоспособный продукт, источник питания должен обладать КПД не менее 96%. Итак, при разработке эффективного источника питания преследуются следующие цели:

  • Обеспечение высокого КПД, соответствующего рыночным стандартам
  • Компактный размер
  • Минимизация себестоимости комплектующих
  • Минимальное тепловыделение
  • Минимизация электромагнитных помех.

Повышение энергоэффективности помогает достичь сразу нескольких целей: повышение КПД всего на 1% при больших мощностях  приводит к существенному снижению тепловыделения. Это, в свою очередь, означает использование меньших по размеру радиаторов, во многом определяющих габариты, вес и внешний вид изделия. Минимальные потери на переключение SiC MOSFET позволяют проектировать преобразователи с высокими частотами работы, что дает возможность использования более компактных индуктивностей и конденсаторов. Результатом является уменьшение размера устройства и снижение общей стоимости. Также при снижении температуры силовых компонентов и их количества повышается надежность преобразователя.

Ключевым параметром для снижения потерь является низкое сопротивление транзисторов в открытом состоянии: чем выше сопротивление, тем больше потери проводимости и тепловыделение.

Новые SiC 650 В MOSFET Wolfspeed обладают самым низким сопротивлением в открытом состоянии среди аналогов в дискретном корпусе во всем диапазоне рабочих температур.

В схемах с жестким переключением низкий заряд обратного восстановления (Qrr) SiC 650 В MOSFET Wolfspeed (например  – всего 62 нКл для транзисторов с сопротивлением 60 мОм) значительно снижает потери, возникающие при переключении, по сравнению с транзисторами на основе кремния. Это позволит работать на более высоких частотах переключения и в результате – уменьшить размер и вес трансформаторов, катушек индуктивности, конденсаторов и других пассивных компонентов в системе.

Паразитные емкости транзистора влияют на коммутационные потери при увеличении частоты. Транзисторы компании Wolfspeed имеют низкие выходные емкости: например, для транзистора 650 В с сопротивлением 60 мОм емкость Coss составляет всего 80 пФ, а для транзистора с сопротивлением 15 мОм – 289 пФ.

Таким образом, применение SiC MOSFET в блоках питания обеспечит:

  • Снижение потерь и температуры транзисторов, как следствие – уменьшение радиаторов, веса и размера устройства.
  • Использование меньшего количества компонентов и применение компонентов меньшего размера, что приведет к снижению стоимости всего источника питания.
  • Высокий КПД и соответствие индустриальным стандартам (Energy Star и 80 PLUS Titanium).
  • Возможность увеличения прибыли производителя источников питания благодаря снижению себестоимости.

650 В полупроводниковые приборы компании Wolfspeed

Компания Wolfspeed известна на рынке как лидер в области 650 В SiC полупроводниковых приборов. Среди последних технических достижений компании – диоды Шоттки шестого поколения и SiC MOSFET третьего поколения с сопротивлением открытого канала 15 мОм и 60 мОм.

Транзисторы (таблица 1) способны работать в широком диапазоне температур кристалла от -40 до 175°C и доступны в корпусах как для выводного (TO-247-3, TO-247-4), так и для поверхностного (ТО-263-7) монтажа.

По сравнению с 650 В MOSFET на основе кремния транзисторы Wolfspeed обеспечивают до 50% меньшие потери проводимости и до 75% меньшие потери при переключении, а также почти нулевой заряд обратного восстановления в паразитном диоде.

По сравнению с GaN HEMT на кремниевой подложке транзисторы Wolfspeed имеют на 50% более низкие потери проводимости, а технология SiC MOSFET Wolfspeed обеспечивает более высокую надежность, подтвержденную длительным опытом эксплуатации в реальных условиях и квалификационными испытаниями.

И, наконец, по сравнению с другими решениями SiC MOSFET транзисторы Wolfspeed имеют самое низкое значение сопротивления в открытом состоянии и минимальную зависимость этого параметра от температуры, что значительно упрощает управление температурным режимом в реальной  системе.

Таблица 1.  Характеристики 650 В MOSFET третьего поколения производства Wolfspeed

Наименование RDS (ON) (25°C), мОм Номинальный ток, А Общий заряд затвора, нКл Выходная емкость, пФ Полная мощность рассеивания, Вт Максимальная температура перехода, °С Корпус
C3M0060065K 60 37 46 80 150 175 TO-247-4
C3M0060065J 60 36 46 80 136 175 TO-263-7
C3M0060065D 60 37 46 80 150 175 TO-247-3
C3M0015065K 15 120 188 289 416 175 TO-247-4
C3M0015065D 15 120 188 289 416 175 TO-247-3

650 В диоды Шоттки шестого поколения (таблица 2), предлагаемые компанией Wolfspeed, имеют

  • Наименьшую в отрасли зависимость прямого падения напряжения (Vf) от температуры
  • Нулевой заряд обратного восстановления (Qrr), что позволяет работать на высоких частотах коммутации
  • Высокую устойчивость к скачкам напряжения благодаря использованию технологии MPS
  • Возможность блокировки высокого обратного напряжения

Широкий ассортимент стандартных корпусов обеспечивает простую замену любых диодов на более эффективную альтернативу от Wolfspeed.

Таблица 2.  Характеристики диодов Шоттки шестого поколения производства Wolfspeed

Наименование Номинальный ток, А Прямое падение напряжения (VF (TYP)), В Максимальный длительно протекающий ток (IF), А Общий емкостной заряд (QC(TYP)), нКл Полная мощность рассеивания (PTOT), Вт Корпус
C6D06065E 6 1,27 6 23 68 TO-252-2
C6D04065E 4 1,27 4 16 52 TO-252-2
C6D10065E 10 1,27 10 34 99 TO-252-2
C6D20065D 20 1,27 20 35 116 TO-247-3
C6D08065E 8 1,27 8 29 85 TO-252-2
C6D16065D 16 1,27 16 29 100 TO-247-3
C6D10065A 10 1,27 10 35 109 TO-220-2
C6D08065A 8 1,27 8 29 92.6 TO-220-2
C6D06065A 6 1,27 6 23 73 TO-220-2
C6D04065A 4 1,27 4 16 73 TO-220-2

Примеры проектов на базе SiC от Wolfspeed

Для поддержки разработчиков и сокращения сроков вывода новой продукции своих заказчиков на рынок компания Wolfspeed предоставляет open source-примеры преобразователей, разработанных с использованием SiC компонентов.

CRD-06600FF065N – пример 6,6 кВт двунаправленного зарядного преобразователя с высокой плотностью мощности

Двунаправленный зарядный преобразователь изображен на рисунке 3.

Рис. 3. CRD-06600FF065N

Рис. 3. CRD-06600FF065N

  • Проект демонстрирует применение SiC MOSFET 650 В, 60 мОм (C3M™) в двунаправленном преобразователе мощностью 6,6 кВт, обеспечивающем высокую эффективность и высокую удельную мощность и предназначенном для бортовых зарядных устройств
  • Демонстрационная плата состоит из каскада ККМ, имеющего двунаправленную totem pole-топологию (AC/DC) и изолированного двунаправленного каскада DC/DC на основе топологии CLLC с варьирующимся напряжением
  • Использование высокой частоты коммутации позволило достичь минимального веса и компактных размеров преобразователя .
  • Схема работает с входным напряжением в диапазоне 90…265 В переменного тока и обеспечивает 250…450 В постоянного тока на выходе с КПД> 96,5% как в режиме заряда, так и в обратном режиме.
  • Доступны все исходные материалы разработки и результаты испытаний

KIT-CRD-3DD065P – Оценочный комплект понижающе-повышающего преобразователя

Оценочный комплект изображен на рисунке 4.

Рис. 4. KIT-CRD-3DD065P

Рис. 4. KIT-CRD-3DD065P

  • Плата предназначена для оценки характеристик и оптимизации режима работы SiC MOSFET Wolfspeed C3M™ и диодов Шоттки
  • Универсальные посадочные места совместимы с 3- и 4-выводными версиями корпусов TO-247 SiC MOSFET Wolfspeed третьего поколения C3M™
  • Параллельно с каждым из транзисторов возможно включение SiC диодов Шоттки в корпусах TO-247 или TO-220
  • Plug&Play: на плате уже установлены силовой конденсатор и индуктивность для быстрого прототипирования
  • Схема управления содержит два независимых индивидуальных драйвера затвора для каждого SiC MOSFET C3M™
  • Комплект поставки включает в себя два SiC MOSFET 1200 В, 75 мОм
  • Возможно испытание любых транзисторов семейства  C3M™ в корпусе TO-247-4
  • Для заказа доступна плата, а также все исходные материалы для этой разработки

CRD-06600DD065N – высокочастотный DC/DC преобразователь 6,6 кВт

ВЧ DC/DC-преобразователь изображен на рисунке 5

Рис. 5. CRD-06600DD065N

Рис. 5. CRD-06600DD065N

  • Преобразователь 6,6 кВт с высокой плотностью мощности демонстрирует работу SiC MOSFET 650 В, 60 мОм (C3M™) в топологии DC/DC LLC
  • Высокая рабочая частота обеспечивает минимальный вес и размеры при высоком КПД> 96%.
  • Демонстрационная плата High Power Density OBC 6,6 кВт работает от шины 380…420 В постоянного тока и обеспечивает 400 В постоянного тока на выходе
  • Возможные применения: промышленные блоки питания и зарядные устройства для электромобилей
  • Доступен полный пакет документации и исходных материалов, а также результаты испытаний

CRD-02AD065N – высокоэффективный (соответствует требованиям 80+ Titanium) 2,2 кВт безмостовой корректор коэффициента мощности на базе SiC MOSFET

Безмостовой ККМ изображен на рисунке 6.

Рис. 6. CRD-02AD065N

Рис. 6. CRD-02AD065N

  • Высокоэффективное и недорогое решение для безмостовой топологии Totem-Pole ККМ мощностью 2,2 кВт на базе SiC MOSFET 650 В, 60 мОм (C3M™)
  • Обеспечивает соответствие стандарту 80+ Titanium за счет КПД> 98,5% при THD <4% во всем диапазоне мощностей нагрузки
  • Разработка оптимизирована для минимальной себестоимости в серийном производстве за счет использования диодов общего назначения вместо низкочастотных ключей
  • Возможное применение: серверные, телекоммуникационные и промышленные блоки питания (PSU).
  • Доступна вся исходная документация и результаты испытаний

Заключение

Полупроводниковые приборы на основе карбида кремния позволяют разработчикам оптимизировать системы питания таким образом, чтобы одновременно максимизировать удельную мощность, уменьшить размер и вес устройств, а также повысить их КПД.

Благодаря этому достигается соответствие современным стандартам энергоэффективности, повышается конкурентоспособность продукции на рынке и уменьшается ее себестоимость.

SiC 650 В MOSFET и диоды компании Wolfspeed являются лучшими в своем сегменте. Наличие качественной документации и демонстрационных проектов значительно облегчает и ускоряет процесс разработки.

•••

Наши информационные каналы

О компании WOLFSPEED (A Cree Company)

Компания Wolfspeed, входящая в структуру CREE Inc., является мировым лидером в производстве полупроводниковых кристаллов из карбида кремния (SiC) и приборов на их основе. Полевые транзисторы, диоды и другие полупроводниковые приборы на основе карбида кремния обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными кремниевыми приборами. Среди них – рабочая температура кристалла до 600°С, высокое быстродействие, радиационная стойкость. В настоящее время Wolfspeed производит высоковольтные SiC ди ...читать далее

Товары
Наименование
C3M0015065D (CREE PWR)
C3M0015065K (CREE PWR)
C3M0060065D (CREE PWR)
C3M0060065K (CREE PWR)
C3M0060065J (CREE PWR)
C6D06065A (CREE PWR)
C6D08065A (CREE PWR)
C6D10065A (CREE PWR)
C6D20065D (CREE PWR)
C6D16065D (CREE PWR)
C6D10065E (CREE PWR)
C6D08065E (CREE PWR)
C6D06065E (CREE PWR)
C6D04065E (CREE PWR)