Карбид-кремниевые транзисторы Wolfspeed для источников питания телекоммуникационного оборудования

24 марта

телекоммуникацииWolfspeedстатьядискретные полупроводникиMOSFET

Александр Русу (г. Одесса)

Расчеты компании Wolfspeed и опорные проекты на их основе показывают, что для выпрямительных устройств, предназначенных для питания телекоммуникационного и компьютерного оборудования, использование высоковольтных карбид-кремниевых MOSFET более предпочтительно, чем их кремниевых аналогов, и зачастую – более рационально, чем нитрид-галлиевых HEMT.

Климатические изменения, вызванные неконтролируемым потреблением углеродных энергоресурсов, поставили мир на грань глобальной экологической катастрофы. В начале 21-го века число энергоемких потребителей увеличилось за счет техники, поддерживающей телекоммуникационные и информационные сервисы. Например, в 2020 году на работу аппаратуры, обеспечивающей человечество проводной и мобильной связью, интернет-ресурсами и майнингом криптовалюты было потрачено около 10% всей выработанной электроэнергии. Очевидно, что снижение энергопотребления телекоммуникационных стоек и серверов вычислительных центров является актуальной задачей, стоящей перед всеми производителями этого вида оборудования: уменьшение количества потребленной энергии даже на 1% позволит отключить, как минимум, три тепловых электростанции мощностью не менее 1 ГВт.

Одним из эффективных способов снижения общего энергопотребления вычислительной техники является уменьшение потерь, возникающих при преобразовании параметров электрической энергии, используемой для ее работы. Необходимость этого процесса вызвана особенностями современных цифровых микросхем, требующих для своей работы постоянного напряжения, не превышающего нескольких вольт, в то время как напряжение в промышленной энергосистеме, используемой в качестве основного источника питания, является переменным и имеет действующее значение 230/400 В.

До недавнего времени единственным полупроводниковым материалом, пригодным для создания транзисторов, используемых в преобразователях напряжения, был кремний (Si). Однако кремниевые транзисторы обладают хорошими электрическими характеристиками лишь в диапазоне рабочих напряжений приблизительно до 200 В – при более высоких напряжениях кремний, из-за малой ширины запрещенной зоны, теряет свои преимущества. На практике это означает, что сетевые источники питания для телекоммуникационной техники на основе этой элементной базы, работающие в диапазоне напряжений 300…600 В, могут обеспечить требуемое значение КПД лишь при применении сложных схемотехнических решений и алгоритмов преобразования.

Альтернативой кремнию являются полупроводники с широкой запрещенной зоной – карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Использование новых материалов позволяет создавать силовые транзисторы с лучшими характеристиками, что, в свою очередь, приводит к улучшению параметров источников питания на их основе. В этой статье рассмотрены особенности применения транзисторов компании Wolfspeed, являющейся одним из пионеров в области карбид-кремниевых технологий, в источниках питания телекоммуникационного и компьютерного оборудования.

Особенности источников питания вычислительных устройств

Система электропитания типовой телекоммуникационной или серверной стойки показана на рисунке 1. Электрическая энергия от общей системы энергоснабжения поступает на выпрямительное устройство, преобразующее переменное напряжение 230/400 В в постоянное величиной 48 В. К выходу выпрямительного устройства подключается аккумуляторная батарея, содержащая аварийный запас энергии. Таким образом, выпрямительное устройство совместно с аккумуляторной батареей образуют источник бесперебойного питания постоянного тока, позволяющий оборудованию некоторое время работать автономно. Выпрямленное напряжение 48 В по внутренним шинам серверной стойки распределяется между платами, содержащими преобразователи, формирующие из него напряжение, необходимое для работы конкретной микросхемы (технология Point-of-Load).

Рис. 1. Типовая система электропитания стойки телекоммуникационного оборудования

Рис. 1. Типовая система электропитания стойки телекоммуникационного оборудования

Основным узлом, определяющим качество энергопотребления серверной стойки, является выпрямительное устройство. Этот блок является одним из самых сложных, ведь он должен выполнять одновременно несколько функций:

  • преобразование переменного напряжения в постоянное с обеспечением синусоидальной формы потребляемого тока;
  • уменьшение величины выпрямленного напряжения до 48 В;
  • электрическую изоляцию блоков серверной стойки от системы электроснабжения.

Из-за этого в состав типового выпрямительного устройства входят два каскада преобразования, первый из которых – корректор коэффициента мощности (ККМ) – преобразует переменное напряжение в постоянное величиной 300…500 В и обеспечивает синусоидальную форму потребляемого тока, а второй – изолированный преобразователь постоянного напряжения (ППН) – понижает величину выпрямленного напряжения до 48 В и обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей.

К выпрямительным устройствам, предназначенным для питания компьютерного и телекоммуникационного оборудования, предъявляется ряд требований по уровню энергоэффективности, в том числе – к минимальным значениям их КПД и коэффициента мощности. Одним из международных стандартов, определяющих эти параметры, является Energy Star, содержащий, кроме прочего, список требований к компьютерным источникам питания, разработанный в рамках программы 80 PLUS. Первые версии стандарта 80 PLUS определяли лишь минимальное значение КПД (таблица 1) и были достаточно простыми в техническом плане, однако с каждой последующей редакцией они ужесточались, расширяя как диапазон нагрузок, при которых контролируется КПД, так и величину минимального коэффициента мощности (таблица 2).

Таблица 1. Минимальный КПД источников питания по стандарту 80 PLUS

Входное напряжение 230 В
без резервирования
230 В
с резервированием
380 В
с резервированием
Нагрузка 10% 20% 50% 100% 10% 20% 50% 100% 10% 20% 50% 100%
80 PLUS 82% 85% 82%
80 PLUS Bronze 85% 88% 85% 81% 85% 81% 80% 82% 85% 82%
80 PLUS Silver 87% 90% 87% 85% 89% 85% 82% 85% 89% 85%
80 PLUS Gold 90% 92% 89% 88% 92% 88% 85% 88% 92% 88%
80 PLUS Platinum 92% 94% 90% 90% 94% 91% 88% 90% 94% 91%
80 PLUS Titanium 90% 92% 96% 91% 90% 94% 96% 91% 90% 94% 96% 91%

Таблица 2. Минимальный коэффициент мощности источников питания по стандарту 80 PLUS

Входное напряжение 230 В
без резервирования
230 В
с резервированием
380 В
с резервированием
80 PLUS ≥0,9 при нагрузке 50%
80 PLUS Bronze ≥0,9 при нагрузке 50% ≥0,9 при нагрузке 50% ≥0,9 при нагрузке 50%
80 PLUS Silver ≥0,9 при нагрузке 50% ≥0,9 при нагрузке 50% ≥0,9 при нагрузке 50%
80 PLUS Gold ≥0,9 при нагрузке 50% ≥0,9 при нагрузке 50% ≥0,9 при нагрузке 50%
80 PLUS Platinum ≥0,95 при нагрузке 50% ≥0,95 при нагрузке 50% ≥0,95 при нагрузке 50%
80 PLUS Titanium ≥0,95 при нагрузке 20% ≥0,95 при нагрузке 20% ≥0,95 при нагрузке 20%

В 2019 году Европейский союз принял директиву ErP Lot 9 (таблица 3), направленную на снижение затрат энергии, потребляемой компьютерным оборудованием, согласно которой с 1 января 2023 года КПД и коэффициент мощности одноканальных блоков питания должны находиться на уровнях, соответствующих самой жесткой версии стандарта 80 PLUS – Titanium.

Таблица 3. Требования к источникам питания телекоммуникационного оборудования, предназначенным для работы в странах Европейского союза (ErP Lot 9)

Дата введения Тип источника питания КПД Коэффициент мощности Стандарт 80 PLUS
10% 20% 50% 100% 10% 20% 50% 100%
1 января 2020 г. Многоканальный 88% 92% 88% 0,9 Gold
Одноканальный 90% 94% 91% 0,95 Platinum
1 января 2023 г. Многоканальный 90% 94% 91% 0,95 Platinum
Одноканальный 90% 94% 96% 91% 0,95 Titanium

Согласно новым требованиям, одноканальное выпрямительное устройство, предназначенное для питания вычислительной техники, при нагрузке 50% от номинальной мощности (режим, в котором оно работает большую часть времени) должно иметь КПД не меньше 96%, а его коэффициент мощности должен превышать 0,95 уже при нагрузке 20%. Анализ возможных характеристик этих устройств (рисунок 2) показывает, что КПД ККМ и ППН блока питания, соответствующего стандарту 80 PLUS Titanium, должны превышать, соответственно, 98% и 97% в диапазоне нагрузок, начиная от 15…20%. А это можно обеспечить только в одном случае – когда в узлах источников питания будут использоваться полупроводниковые приборы с наилучшими характеристиками.

Рис. 2. Два варианта зависимостей КПД от уровня нагрузки выпрямительных устройств, соответствующих стандарту 80 PLUS Titanium

Рис. 2. Два варианта зависимостей КПД от уровня нагрузки выпрямительных устройств, соответствующих стандарту 80 PLUS Titanium

Особенности силовых транзисторов на основе широкозонных полупроводников

Нитрид галлия и карбид кремния относятся к полупроводникам с широкой запрещенной зоной, однако силовые транзисторы, изготовленные из этих материалов, значительно отличаются друг от друга (рисунок 3). Карбид-кремниевые приборы относятся к классическим полевым транзисторам с изолированным затвором (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET) и имеют вертикальную структуру, в которой ток протекает в поперечном направлении через несколько участков кристалла, легированных разными примесями. Силовые транзисторы на основе нитрида галлия относятся к отдельной категории полупроводниковых приборов – транзисторам на основе высокоподвижных электронов (High-Mobility Electron Transistors, HEMT), и ток в них протекает параллельно плоскости подложки.

Рис. 3. Устройство карбид-кремниевого MOSFET и нитрид-галлиевого HEMT

Рис. 3. Устройство карбид-кремниевого MOSFET и нитрид-галлиевого HEMT

Очевидно, что разные полупроводниковые материалы и разные принципы построения приводят к значительным отличиям HEMT от MOSFET. Нитрид-галлиевые HEMT за счет высокой подвижности носителей заряда и отсутствия паразитного антипараллельного диода могут работать на более высоких частотах, что позволяет увеличить удельную мощность преобразователей. Однако увеличение частоты преобразования приводит к увеличению потерь в индуктивных элементах, принципиально необходимых при импульсном преобразовании. Поэтому переход на повышенную частоту, пусть даже и с применением приборов с меньшими динамическими потерями, может привести к не столь значительному увеличению КПД, как того хотелось бы. Кроме того, нитрид-галлиевые HEMT менее устойчивы к лавинному пробою, поэтому даже кратковременное превышение максимально допустимого напряжения способно разрушить кристаллы этих приборов. Помимо этого, они плохо переносят перегрузки по току – большинство приборов подобного типа могут находиться в состоянии перегрузки не более 100 нс.

Анализ особенностей разных материалов (таблица 4) показывает, что для силовых транзисторов с максимально допустимым напряжением 600…650 В, наилучшим образом подходящих для сетевых источников питания, наиболее привлекательным полупроводниковым материалом является карбид кремния. Переход на карбид-кремниевую основу позволяет создать преобразователи с требуемым значением КПД и коэффициента мощности без значительного увеличения стоимости источника питания. Кроме того, карбид-кремниевые MOSFET, в отличие от нитрид-галлиевых HEMT, по типам корпусов и схемотехнике во многих случаях совместимы с их кремниевыми аналогами, что позволяет перейти на новую элементную базу с минимальными переделками существующих принципиальных схем.

Таблица 4. Сводная характеристика транзисторов, изготовленных из разных полупроводниковых материалов

Материал полупроводника Карбид кремния Нитрид галлия Кремний
Увеличение сопротивления канала с ростом температуры Приблизительно
в 1,4 раза
Приблизительно
в 2,6 раз
Боле чем в 2 раза
Относительная теплопроводность 3 1 1
Диапазон рабочих напряжений 600…10000 В 40…600 В 5…10000 В
Максимальная рабочая температура более 175⁰С 150⁰С 150⁰С
Относительный размер кристалла 1 2…3 2…4
Относительная стоимость 1 1,3…3 2…4
Суммарная наработка всех приборов в реальных устройствах Более 7 трлн. часов Приблизительно
20 млн. часов
Подсчитать уже невозможно
Тип корпуса Стандартный Специализи-рованный Любой
Уровень интеграции Одиночный транзистор Драйвер и защитные схемы Любой

Результаты комплексного анализа характеристик трех транзисторов, выполненных из разных полупроводниковых материалов (таблица 5), по восьми ключевым параметрам приведены на рисунке 4. Из графика видно, что транзисторы на основе карбида кремния имеют наибольшую устойчивость к лавинному пробою EAS, максимальную рабочую температуру кристалла Tj_max и минимальную нестабильность сопротивления канала в открытом состоянии RDS(on) от температуры.

Таблица 5. Характеристики транзисторов, принимавших участие в тестировании

Транзистор Vth, В Tj_max, ⁰С RDS(on), мОм Coss(еr), пФ Coss(er), пФ Qrr, нКл Rthjc,
К/Вт
25⁰С 75⁰С 125⁰С
IPW60R055CFD7 (Si) 3,5 150 46 64,4 88,8 1172 114 770 0,7
C3M0060065J (SiC) 1,8 175 60 63,0 70,0 132 95 62 1,1
IGT60R070D1 (GaN) 0,9 150 55 80,0 108,0 102 80 0 1

Рис. 4. Комплексный анализ характеристик транзисторов по восьми параметрам

Рис. 4. Комплексный анализ характеристик транзисторов по восьми параметрам

Высокое значение энергии лавинного пробоя EAS (Single-Pulse Avalanche Energy) обеспечивает надежное удержание транзистора в закрытом состоянии при возникновении перенапряжений между стоком и истоком, а также при проникновении внутрь кристаллов посторонних высокоэнергичных частиц, например, нейтронов. По этому параметру карбид-кремниевые MOSFET намного лучше транзисторов из других полупроводниковых материалов. При этом нитрид-галлиевые HEMT, из-за особенностей конструкции имеют практически нулевое значение этого параметра, что негативно сказывается на надежности преобразователей, созданных на их основе.

Высокое значение допустимой рабочей температуры кристалла Tj_max определяет в первую очередь устойчивость транзистора к перегрузкам по току, когда на его кристалле выделяется повышенное количество тепла. Этот параметр у кремниевых и нитрид-галлиевых транзисторов приблизительно одинаков (около 150⁰С), в отличие от карбида кремния, сохраняющего свои свойства и при температурах до 600⁰С. Однако, к сожалению, выигрыш от применения данного полупроводникового материала по этому параметру ограничен несовершенством технологий изготовления корпусов и сложностью использования элементов, разогретых до столь высокой температуры. Поэтому реальная температура кристаллов большинства карбид-кремниевых MOSFET не превышает 200⁰С.

Карбид-кремниевые полевые транзисторы имеют также наименьшую зависимость сопротивления канала RDS(on) от температуры. Сопротивление канала большинства кремниевых MOSFET и нитрид-галлиевых HEMT при изменении температуры кристалла от 25⁰С до 175⁰С увеличивается более чем в 2,5 раза, в то время как сопротивление канала карбид-кремниевого кристалла в горячем состоянии всего лишь в 1,4 раза больше, чем при комнатной температуре (рисунок 5). Это значит, что карбид-кремниевые приборы, имеющие при начальной температуре худшие характеристики, чем их аналоги, при выходе источника питания на рабочий режим могут обеспечить приблизительно одинаковый уровень статических потерь.

Рис. 5. Зависимость относительных сопротивлений каналов разных типов транзисторов от температуры

Рис. 5. Зависимость относительных сопротивлений каналов разных типов транзисторов от температуры

Нитрид-галлиевые HEMT имеют наименьшие значения эквивалентной выходной емкости в режимах жесткой Coss(er) и мягкой Coss(tr) коммутации, а также заряда обратного восстановления паразитного антипараллельного диода Qrr (в HEMT его нет). Из-за этого они имеют минимальные потери при переключении, что позволяет преобразователям на их основе работать на высоких частотах. Тем не менее, динамические характеристики карбид-кремниевых MOSFET являются соизмеримыми с аналогичными характеристиками нитрид-галлиевых HEMT и значительно лучше, чем у MOSFET, изготовленных из кремния. Таким образом даже простая замена кремниевых MOSFET на их карбид-кремниевые аналоги уже позволит повысить КПД и удельную мощность, в том числе и за счет применения более простых систем охлаждения.

Единственными параметрами, по которым традиционные кремниевые транзисторы пока еще сохраняют лидирующие позиции, являются величина теплового сопротивления между кристаллом и радиатором Rthjc и величина порогового напряжения Vth. Пороговое напряжение Vth определяет устойчивость контура управления к шумам и электромагнитным помехам: чем больше Vth, тем меньше вероятность сбоя в работе преобразователя из-за проникновения помехи в цепь затвора. Наименьшее значение порогового напряжения Vth имеют нитрид-галлиевые HEMT, что накладывает ряд достаточно жестких ограничений на схемотехнику драйвера, вплоть до необходимости интеграции его непосредственно в корпус силового транзистора. Пороговое напряжение карбид-кремниевых MOSFET меньше, чем у их кремниевых аналогов, однако оно все еще остается достаточно высоким для применения практически тех же методов управления, что и при использовании кремниевых MOSFET.

Таким образом, комплексный анализ силовых транзисторов, изготовленных из разных полупроводниковых материалов, показывает, что, даже несмотря на то, что некоторые параметры карбид-кремниевых MOSFET хуже, чем у нитрид-галлиевых HEMT, в целом они остаются наиболее привлекательной основой для высоковольтных преобразователей. Использование карбид-кремниевых MOSFET позволяет создавать преобразователи, обладающие сбалансированным значением всех ключевых параметров источника питания: КПД, удельной мощности, стоимости, помехозащищенности и надежности, в то время как применение транзисторов из других полупроводниковых материалов позволяет улучшить только некоторые параметры источника питания, чаще всего – за счет ухудшения других.

Использование карбид-кремниевых MOSFET в ККМ

Самой простой и дешевой схемой, позволяющей преобразовать переменное напряжение в постоянное, является мостовой выпрямитель на основе неуправляемых полупроводниковых диодов, работающий на емкостной сглаживающий фильтр. К сожалению, на этом достоинства данной схемы заканчиваются. Низкое значение КПД из-за использования диодов с высоким падением напряжения и несинусоидальная форма потребляемого тока, содержащего большое количество высокочастотных гармоник, уже давно не позволяют использовать эту схему в современных выпрямительных устройствах повышенной мощности.

Для увеличения коэффициента мощности в выпрямительные узлы добавляют дополнительный каскад, уменьшающий уровень высокочастотных гармоник потребляемого тока. Первоначально для этой цели использовался низкочастотный (50/60 Гц) дроссель, включенный последовательно с диодным выпрямителем. Такое решение было самым простым и позволяло пройти сертификацию по первым версиям стандарта 80 PLUS, однако сейчас для обеспечения требуемого коэффициента мощности необходимо использовать специализированные схемы на основе высокочастотных преобразователей.

На сегодняшний день существует достаточно большое количество выпрямителей, позволяющих обеспечить синусоидальную форму потребляемого тока (рисунок 6). Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки, однако постепенно все больше производителей сетевых источников питания отдают предпочтение безмостовым схемам, называемым в англоязычной технической литературе схемами на основе «тотемного столба» (Totem Pole Bridgeless PFC).

Рис. 6. Эволюция схем выпрямительных узлов с ККМ

Рис. 6. Эволюция схем выпрямительных узлов с ККМ

Существует несколько разновидностей безмостовых схем, отличающихся количеством силовых дросселей и транзисторов, однако наиболее распространенной являются схема с одним дросселем, содержащая два транзистора, переключающихся на высокой частоте, и ее четырехтранзисторный аналог, в котором низкочастотные диоды заменены полевыми транзисторами.

Анализ существующих схем ККМ показывает, что высоких значений КПД проще всего достичь в четырехтранзисторных безмостовых схемах. Однако при использовании кремниевых транзисторов высокий КПД достигается лишь при использовании специальных режимов работы силовой части, отличающихся повышенной сложностью управления, например, при работе в граничном режиме (Critical Conduction Mode, CRM) или в режиме с треугольной формой токов (Triangular Current Mode, TCM). А вот при использовании транзисторов с широкой запрещенной зоной КПД выше 99% можно обеспечить даже при использовании более простых режимов, в частности – безразрывного (Conduction Current Mode, CCM).

ККМ на основе нитрид-галлиевых HEMT имеют несколько более высокие значения КПД (99,2%), чем при использовании карбид-кремниевых MOSFET (99,1%) (рисунок 7), при этом обе версии ККМ строились по безмостовой четырехтранзисторной схеме, работавшей в режиме CCM. Таким образом, нитрид-галлиевые HEMT позволяют достичь большей энергоэффективности и большей удельной мощности ККМ. Однако из-за повышенной надежности, обусловленной высокой энергией лавинного пробоя, высокой помехозащищенности, возникающей из-за повышенного порогового напряжения и более простого управления карбид-кремниевые MOSFET предпочтительнее для построения этих узлов, чем нитрид-галлиевые HEMT.

Рис. 7. Зависимость КПД ККМ выпрямительных устройств мощностью 3 кВт

Рис. 7. Зависимость КПД ККМ выпрямительных устройств мощностью 3 кВт

Не следует также забывать и о стоимости источника питания. Сравнительный анализ элементов, входящих в состав ККМ (таблица 6), показывает, что использование карбид-кремниевых MOSFET позволяет реализовать его дешевле, чем при использовании нитрид-галлиевых HEMT. Причем на стоимость конечного устройства влияет цена не только силовых транзисторов, но и вспомогательных узлов, без которых нормальная работа преобразователя невозможна. Таким образом, использование карбид-кремниевых MOSFET позволяет не только создать корректор коэффициента мощности с нужными значениями КПД и коэффициента мощности, но и сделать это проще и дешевле, чем при использовании элементной базы, использующей другие широкозонные полупроводники.

Таблица 6. Относительная стоимость элементов двухтранзисторного безмостового ККМ мощностью 3 кВт, реализованного на разных типах полупроводниковых приборов

ККМ SiC MOSFET Wolfspeed (650 В, 60 мОм) GaN №1
(600 В, 55 мОм)
(до 2500 Вт)
GaN №2
(650 В, 30 мОм
GaN №3
(650 В, 25 мОм)
GaN №4
(650 В, 50 мОм)
GaN №5
(650 В, 39 мОм)
Силовые ключи 64% 100% 160% 180% 80% 78%
Вспомогательный источник питания 100% 100% 60% 100% 80% 80%
Драйверы с изолированными преобразователями 100% 100% 25% 100% 70% 70%
Датчики тока 100% 100% 100% 100% 100% 100%
Силовые дроссели 100% 100% 100% 100% 100% 100%
Радиаторы 60% 60% 60% 60% 100% 100%
Общая стоимость 100% 128% 162% 184% 112% 108%

Хорошим примером практического применения карбид-кремниевых полупроводниковых приборов является опорный проект двухтранзисторного безмостового ККМ CRD-02AD065N на основе 650-вольтовых транзисторов C3M с сопротивлением канала 60 мОм (рисунок 8). Эта схема может работать в диапазоне входных напряжений от 180 до 264 В, обеспечивая на выходе постоянное стабилизированное напряжение 385 В при мощности, потребляемой последующими узлами, до 2,2 кВт. Коэффициент нелинейных искажений тока, потребляемого этой схемой от сети, не превышает 5%, а минимальный КПД при половинной нагрузке – не хуже 98,5%. Столь высокие технические характеристики позволяют использовать этот узел в схемах выпрямительных устройств, соответствующих самым современным требованиям к подобной технике, в том числе и в блоках питания класса 80 PLUS Titanium.

Рис. 8. Внешний вид платы опорного проекта CRD-02AD065N

Рис. 8. Внешний вид платы опорного проекта CRD-02AD065N

Использование карбид-кремниевых MOSFET в ППН

КПД изолированных преобразователей постоянного напряжения, входящих в состав выпрямительных устройств, должен быть не менее высоким, чем у корректоров коэффициента мощности. При импульсном способе преобразования наименьшая мощность потерь обеспечивается при использовании схем, работающих в резонансных режимах. Наиболее простыми схемами резонансных ППН, пригодными для использования в мощных сетевых источниках питания, являются схемы LLC-преобразователей, которые могут быть как полумостовыми, так и мостовыми, содержащими, соответственно, два и четыре высоковольтных транзистора на первичной стороне (рисунок 9).

Рис. 9. Схема мостового LLC-преобразователя и диаграммы работы его силовой части

Рис. 9. Схема мостового LLC-преобразователя и диаграммы работы его силовой части

Особенностью работы резонансных LLC-преобразователей является включение силовых транзисторов при практически нулевом напряжении, а выключение – при токе, близком к нулю. Это обеспечивает как минимальные динамические потери, так и минимальный уровень перенапряжений, возникающих при выключении транзисторов. Кроме этого, резонансные схемы за счет меньших потерь при коммутации практически не создают электромагнитных помех и могут работать на более высоких частотах. Таким образом, LLC-преобразователи являются практически идеальным выбором для построения мощных ППН, предназначенных для приложений, критичных к величинам КПД и удельной мощности.

Поскольку динамические потери в LLC-преобразователях сведены к минимуму за счет схемотехнических решений, то ключевыми факторами, влияющими на выбор высоковольтных транзисторов, являются величина и поведение сопротивления их канала RDS(on), а также дополнительные преимущества в виде устойчивости к перенапряжениям и помехозащищенности. В этом случае ключевые преимущества нитрид-галлиевых HEMT – малые динамические потери – уже не будут оказывать решающего значения, и высокое значение КПД теоретически может быть обеспечено при использовании транзисторов всех типов, в том числе и кремниевых MOSFET. Однако кремниевые MOSFET имеют более высокое значение выходной емкости по сравнению с транзисторами на основе широкозонных полупроводников, что приводит к уменьшению резонансной частоты переходных процессов и вынуждает увеличивать длительность мертвого времени. А это уже негативно сказывается на всех остальных характеристиках преобразователей, в первую очередь – на его КПД и удельной мощности.

Результаты измерения КПД двух мощных LLC-преобразователей, реализованных на кремниевых и карбид-кремниевых MOSFET, (рисунок 10) показывают, что КПД ППН на основе карбид-кремниевых транзисторов оказывается выше, чем у аналогичного преобразователя на основе кремниевых MOSFET. Причиной этого является меньшее значение мертвого времени, обусловленное меньшим временем, требуемым для перезаряда выходной емкости Coss(tr), а также значительное увеличение сопротивления канала RDS(on), наблюдаемое с ростом температуры. Кроме того, кремниевые транзисторы из-за более высокой входной емкости требуют больше энергии на управление. Таким образом, использование карбид-кремниевых MOSFET позволяет реализовать LLC-преобразователь с характеристиками, не уступающими характеристикам аналогичной схемы на нитрид-галлиевых HEMT и значительно большей удельной мощностью, чем при использовании кремниевой элементной базы (рисунок 11).

Рис. 10. Результаты измерений КПД LLC-преобразователей на основе кремниевых и карбид-кремниевых транзисторов

Рис. 10. Результаты измерений КПД LLC-преобразователей на основе кремниевых и карбид-кремниевых транзисторов

Рис. 11. Сравнение габаритов и массы индуктивных элементов, используемых в LLC-преобразователях на основе кремниевых и карбид-кремниевых MOSFET

Рис. 11. Сравнение габаритов и массы индуктивных элементов, используемых в LLC-преобразователях на основе кремниевых и карбид-кремниевых MOSFET

Однако LLC-преобразователи содержат также и полевые транзисторы, расположенные на вторичной стороне и выполняющие функцию низковольтного синхронного выпрямителя. К сожалению, в этой части схемы применение карбид-кремниевых приборов, большинство из которых ориентировано на использование в высоковольтных схемах, не оправдано. Наилучшим выбором для этого узла является использование традиционных кремниевых MOSFET или низковольтных нитрид-галлиевых HEMT. В последнем случае это позволит увеличить рабочую частоту и, как следствие – удельную мощность (рисунок 12). Однако не следует забывать, что увеличение удельной мощности за счет увеличения рабочей частоты приводит к увеличению потерь в индуктивных элементах, что негативно сказывается на общем КПД системы. Поэтому на практике производители обычно выбирают компромиссные решения, находя оптимальный баланс между массой и размерами источников питания и потерями, возникающими в процессе его работы.

Рис. 12. Зависимость КПД от удельной мощности LLC-преобразователей, реализованной на транзисторах из разных полупроводниковых материалов

Рис. 12. Зависимость КПД от удельной мощности LLC-преобразователей, реализованной на транзисторах из разных полупроводниковых материалов

Однако в выпрямительных устройствах с высоким значением выходного напряжения, используемых, например, в зарядных устройствах для электротранспорта, реализация выходного выпрямителя LLC-преобразователя на карбид-кремниевых MOSFET во многих случаях является более оптимальным решением, чем при использовании приборов, изготовленных из других полупроводниковых материалов. Этому способствует, в первую очередь, более высокая надежность и помехозащищенность карбид-кремниевых транзисторов, а также меньшая зависимость уровня статических потерь от температуры.

Это утверждение можно легко проверить, ознакомившись с опорным проектом высоковольтного LLC-преобразователя CRD-06600DD065N (рисунок 13), разработанного компанией Wolfspeed специально для изучения потенциала карбид-кремниевых технологий. Данная плата обеспечивает преобразование входного постоянного напряжения величиной от 380 до 420 В в стабилизированное постоянное напряжение 400 В, электрически изолированное от цепей первичного источника питания. Рабочая частота преобразователя, в зависимости от мощности нагрузки, достигающей 6,6 кВт, находится в пределах от 500 кГц до 1 МГц, что обеспечивает высокое значение КПД (более 96%) и высокую удельную мощность.

Рис. 13. Внешний вид платы опорного проекта CRD-06600DD065N

Рис. 13. Внешний вид платы опорного проекта CRD-06600DD065N

Заключение

Карбид-кремниевые силовые транзисторы компании Wolfspeed, как и полупроводниковые приборы других производителей, не являются идеальной элементной базой и имеют свои преимущества, недостатки и область применения. Однако результаты проведенного сравнительного анализа показывают, что для выпрямительных устройств, предназначенных для питания телекоммуникационного и компьютерного оборудования, использование высоковольтных карбид-кремниевых MOSFET однозначно является более предпочтительным, чем использование их традиционных кремниевых аналогов, и во многих случаях более рациональным, чем использование нитрид-галлиевых HEMT.

Оригинал статьи

•••

Наши информационные каналы

О компании WOLFSPEED

Компания Wolfspeed 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 диоды, SiC MOSFET, SiC силовые моду ...читать далее

Товары
Наименование