№11 / 2018 / статья 8

Ускоряем внедрение силовых SiC-транзисторов

Гай Мокси (Wolfspeed)

На протяжении многих лет мы слышим о широкозонных полупроводниках, о планах по их развитию и о появлении новых решений. При этом нам обещают совершенно удивительные возможности. Однако проектирование реальных устройств – это далеко не презентации PowerPoint или предварительная документация. Компания Wolfspeed создала референсные решения, использующие реальные SiC-компоненты. Эти схемы позволяют разработчикам быстро ознакомиться с возможностями SiC-решений с минимальными затратами времени.

Рассматриваемые в статье реальные и готовые к работе устройства охватывают диапазон мощностей от единиц Вт до сотен кВт. Каждое из предложенных решений является ярким примером практического использования конкретных SiC-компонентов, прошедших все необходимые испытания и находящихся на стадии массового производства. Эти компоненты обеспечивают целый ряд преимуществ, в том числе – высокий КПД, значительную плотность мощности и привлекательную стоимость.

Выпуск и применение в реальных устройствах SiC-компонентов производства компании Wolfspeed говорит о том, что карбид кремния перестал быть будущим электроники, и стал ее настоящим.

Пример 1: ККМ мощностью 2 кВт, выполненный по схеме Totem pole

Преимущества использования SiC-диодов в традиционных схемах корректоров коэффициента мощности хорошо известны. Это – причина их популярности на рынке в течение многих лет. В то же время новые более жесткие требования сертификации источников питания, согласно программам Energy star и 80+, вынуждают разработчиков решать задачи, связанные с повышением эффективности и увеличением плотности мощности при одновременном уменьшении стоимости.

Необходимо как следует постараться, чтобы традиционные схемы ККМ, например, ККМ с чередованием фаз (interleaved PFC), соответствовали требованиям эффективности категорий «Bronze», «Silver» или «Gold» программы 80+. При этом они оказываются бессильными, если необходимы показатели эффективности на уровне 80+ «Titanium». По этой причине разработка новых топологий и внедрение широкозонных полупроводников переходят из разряда перспективных исследований в разряд актуальных задач.

Для анализа архитектуры системы питания сервера можно рассмотреть функциональную блок-схему типового серверного однофазного источника питания (рисунок 1). В данной статье основное внимание уделяется блоку ККМ, который на рисунке обозначен как AC/DC. Кроме него в схеме присутствует мостовой выпрямитель и изолированный DC/DC-преобразователь.

Рис. 1. Функциональная блок-схема типового однофазного источника питания для сервера

Рис. 1. Функциональная блок-схема типового однофазного источника питания для сервера

Особенности проектирования

Обеспечение высокой эффективности при преобразовании мощности является одним из основных требований, предъявляемых к источникам питания серверных систем, так как именно серверные фермы и хранилища работают 24 часа в сутки и семь дней в неделю, а значит – должны соответствовать энергетическим нормам и существующему законодательству. Стандарт «80+» – это программа добровольной сертификации, созданная для повышения эффективности использования энергии в компьютерных блоках питания. Несмотря на то что программа является добровольной, она получила широкое признание и распространение в промышленности. Стандарт 80+ определяет 6 уровней эффективности: от базового «80+» до наиболее высокого «80+ Titanium». Уровень «80+ Titanium» был принят последним. Его достижение в настоящий момент является целью для производителей серверного оборудования. Уровень «80+ Titanium» предъявляет следующие требования к КПД: при входном напряжении 115 В эффективность должна составлять не менее 94% при половинной нагрузке и 90% при полной нагрузке, при входном напряжении 230 В эффективность должна составлять не менее 96% при половинной нагрузке и 91% при полной нагрузке. Эти показатели являются интегральными и относятся к связке из ККМ и DC/DC-преобразователя. Следовательно, для обеспечения некоторого запаса КПД ККМ должен быть еще выше: 96,4% при половинной нагрузке и 93,8% при полной нагрузке для входного напряжения 115 В, 98,5% при половинной нагрузке и 94,8% при полной нагрузке для входного напряжения 230 В.

Обеспечение уровня эффективности «80+ Titanium» оказывается практически невозможным при использовании традиционных топологий ККМ с обычными кремниевыми МОП-транзисторами. Конечно, при работе со специализированными кремниевыми силовыми ключами с улучшенными характеристиками задачу решить можно, но стоимость такого решения оказывается чрезвычайно высокой и недоступной для массового применения.

Таким образом, задача проектирования заключается в том, чтобы достичь требуемого уровня эффективности «80+ Titanium», обеспечить увеличение плотности мощности и сохранить стоимость конечного решения на уровне традиционных кремниевых преобразователей.

Исходные данные проекта

В нашем случае предполагается работа со стандартными требованиями по уровню напряжения, тока, гармоник и электромагнитных излучений. Исходные данные представлены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные при проектировании ККМ

Параметр Значение
Pout, кВт 2
Vin, В 90…264
Частота переключений, кГц 85
Коэффициент нелинейных искажений, % <5
Тип монтажа Поверхностный монтаж
Vout, В (DC) 400

Для первого примера был выбран преобразователь мощностью 2 кВт, так как требования эффективности для источников с более высокой мощностью оказываются более жесткими. Кроме того, с учетом невысокой выходной мощности было решено использовать компоненты с поверхностным монтажом на печатную плату, что стало еще одним вызовом с точки зрения проектирования.

Если традиционные схемы ККМ обеспечивают требуемый уровень эффективности, мощности и стоимости, то не обязательно использовать концептуально новые решения, например, безмостовые топологии ККМ (Bridgeless PFC). С другой стороны, очень часто недостаточная эффективность кремниевых компонентов в сочетании с необычной реализацией системы управления исключает возможность практической реализации.

Для решения поставленной задачи при отсутствии ограничений разработчик наверняка выбрал бы схему totem pole с четырьмя SiC-транзисторами, показавшими наилучшие результаты при моделировании. Однако поскольку одна из заявленных выше целей заключалась в получении адекватной стоимости ККМ, сравнимой с кремневыми решениями, то в данном случае было решено использовать схему totem pole с двумя SiC-транзисторами в плечах с высокой частой коммутации и двумя кремневыми диодами с малым прямым падением Vf в плечах с малой частой коммутации. Такой подход позволяет значительно уменьшить стоимость, сократить число компонентов и снизить сложность системы управления.

Для работы были выбраны SiC-транзисторы C3M0065090J, предназначенные для поверхностного монтажа, что позволило уменьшить размер платы и увеличить плотность мощности. Среди достоинств этих ключей также стоит отметить наличие отдельного вывода истока, используемого специально для точного формирования управляющего напряжения, благодаря чему удается дополнительно уменьшить уровень потерь по сравнению со стандартными 3-выводными ключами в корпусах D2PAK или TO.

Результаты испытаний разработанной схемы ККМ

Предлагаемая двухтранзисторная схема, разработанная с учетом исходных данных (таблица 1), при работе с частотой коммутации 85 кГц продемонстрировала отличные результаты. При входном напряжении 230 В КПД составил 98,61% при нагрузке 50% и 98,54% при полной нагрузке. Оба показателя оказались выше требуемых значений 98,5% и 95% соответственно. Измеренный КПД также включал потери вспомогательного источника питания и вентилятора. На рисунке 2 представлен внешний вид платы ККМ.

Рис. 2. Внешний вид платы корректора коэффициента мощности

Рис. 2. Внешний вид платы корректора коэффициента мощности

Топология totem pole обеспечивает высокую плотность мощности, что доказывают компактные габаритные размеры итоговой платы 213х112 мм. Предложенная схема отвечает требованиям эффективности «80+ Titanium» и при этом оказывается меньше, чем существующие решения на кремниевых транзисторах с уровнем эффективности «80+ Gold». Кроме того, схема с двумя транзисторами весьма практична и более интересна с коммерческой точки зрения. Здесь следует еще раз подчеркнуть, что предлагаемое решение построено на базе транзисторов, которые прошли всю необходимую сертификацию и уже находятся в массовом производстве.

Пример 2: Двунаправленный трехфазный AC/DC-преобразователь мощностью 20 кВт

Трехфазные AC/DC- и DC/AC-преобразователи применяются в широком диапазоне промышленных приложений: в системах возобновляемой энергии (солнечной, ветровой и прочей), в мощных системах заряда личного и общественного электротранспорта, в системах рекуперации энергии (лифтах, мельницах и так далее). Конкретным примером использования AC/DC-преобразователя является 3-фазное зарядное устройство для электромобилей. Функциональная блок-схема такого преобразователя представлена на рисунке 3. Благодаря возможности двунаправленного обмена мощности энергию можно передавать как от сети к автомобилю, так и обратно.

Рис. 3. Функциональная блок-схема трехфазного AC/DC-преобразователя

Рис. 3. Функциональная блок-схема трехфазного AC/DC-преобразователя

Особенности проектирования

Для обеспечения двунаправленной передачи мощности обычно применяются двухуровневые топологии ККМ, построенные на базе кремниевых 1200 В IGBT, или трехуровневые топологии с использованием SJ FET. Двухуровневые топологии с 1200 В IGBT отличаются простотой управления, привлекательной стоимостью полупроводников и высокой мощностью (> 20 кВт), но частота переключения для них, как правило, не превышает 20 кГц. По этой причине двухуровневые топологии характеризуются невысокой плотностью мощности, малой эффективностью и дорогостоящими индуктивностями. Многоуровневые топологии на базе IGBT, например, выпрямитель с нейтральной точкой (NPC), обеспечивают большую плотность мощности и высокую эффективность (меньшие потери при переключении), но имеют сложную систему управления. Для схем с однонаправленной передачей мощности иногда применяются кремниевые МОП-транзисторы с напряжением 650 В. Обычная или улучшенная схема Vienna может обеспечить приемлемую эффективность при однонаправленной передаче энергии, но плотность мощности для нее оказывается невысокой. Кроме того, эта схема отличается высокой сложностью управления, большим числом компонентов и невозможностью реверса энергии.

При использовании альтернативных решений на базе SiC MOSFET удается сократить потери при переключениях и увеличить частоту коммутаций в двухуровневых преобразователях, получая при этом более высокую эффективность как при полной, так и при неполной нагрузке. Благодаря SiC-транзисторам плотность мощности системы значительно возрастает за счет уменьшения габаритов магнитных компонентов и радиаторов. Кроме того, карбид-кремниевые МОП-транзисторы имеют встроенные обратные диоды, что позволяет отказаться от дополнительных внешних компонентов, тем самым уменьшая сложность и снижая стоимость устройства.

На рисунке 4 представлен двухуровневый силовой каскад на базе SiC-транзисторов. Этот пример представляет собой экономичное и высокоэффективное решение, полностью основанное на мощных карбид-кремниевых МОП-транзисторах, которые прошли всю необходимую сертификацию и уже запущены в массовое производство. Данный преобразователь является конкурентом для традиционной двухуровневой схемы на базе кремниевых IGBT 1200 В, при этом он соответствует тем же техническим требованиям, но обеспечивает более высокую эффективность, значительное увеличение плотности мощности и снижение стоимости системы. Для достижения требуемого уровня мощности были выбраны SiC-транзисторы C3M0065100K с рейтингом напряжения 1000 В и сопротивлением 65 мОм. Эти ключи обеспечивают чрезвычайно малые динамические потери благодаря 4-выводному корпусу TO-247 с дополнительным выводом истока для формирования управляющего напряжения. Высокое рабочее напряжение 1000 В и наличие встроенного обратного диода позволяют снизить стоимость устройства. Рассматриваемый преобразователь является еще одним примером реального решения, построенного на базе серийных SiC MOSFET C3M0065100K производства компании Wolfspeed. Эти транзисторы отвечают актуальным требованиям рынка и позволяют создавать двунаправленные системы передачи мощности с рабочей частотой 48 кГц. При этом испытания показали рост эффективности на 1% по сравнению с решениями на базе кремниевых IGBT.

Рис. 4. Внешний вид и принципиальная схема преобразователя 20 кВт

Рис. 4. Внешний вид и принципиальная схема преобразователя 20 кВт

Пример 3: Трехфазный инвертор мощностью 250 кВт

Электромобили являются одним из наиболее перспективных приложений в ближайшее десятилетие с точки зрения использования силовых полупроводников. Мощные кремниевые ключи очень хорошо показали себя при создании первых гибридных силовых установок и электромобилей. Тем не менее, современные системы заряда и электроприводы нуждаются в значительном росте эффективности и плотности мощности для удовлетворения потребностей рынка, которые заключаются в увеличении дальности пробега, уменьшении веса и снижении стоимости транспортных средств.

Автомобильная промышленность уже оценила и на практике подтвердила эффективность* использования SiC-компонентов для создания бортовых зарядных систем (On Board Chargers, OBC) и инверторов. Например, для инвертора мощностью 250 кВт переход от кремниевых IGBT к SiC MOSFET привел к уменьшению потерь на 80% (рисунок 5). В случае с OBC использование SiC-ключей обеспечивает рост эффективности более чем на 1,5% при одновременном увеличении плотности мощности более чем на 30% по сравнению с традиционными схемами на кремниевых транзисторах.

* – Замечание – под «эффективностью» всегда подразумевается КПД.

Рис. 5. Уменьшение потерь инвертора за счет внедрения карбид-кремниевых МОП-транзисторов 900В 10 мОм от Wolfspeed

Рис. 5. Уменьшение потерь инвертора за счет внедрения карбид-кремниевых МОП-транзисторов 900 В, 10 мОм от Wolfspeed

Чтобы помочь разработчикам оценить возможности SiC-транзисторов и сократить затраты на проектирование, компания Wolfspeed разработала трехфазный оценочный инвертор мощностью 250 кВт, предназначенный для создания приводов электромобилей. Данный инвертор имеет вес менее 16 кг, объем 26,3 л и размеры 44х39,8х15 см (рисунок 6).

Рис. 6 Трехфазный инвертор 250 кВт от Wolfspeed для приводов электромобилей

Рис. 6 Трехфазный инвертор 250 кВт от Wolfspeed для приводов электромобилей

Корпусное исполнение силовых модулей CAS позволяет достичь невероятно малой паразитной индуктивности 7,5 нГн при весе всего 180 г и занимает почти столько же места, сколько обычный смартфон. Предлагаемый оценочный инвертор обеспечивает непрерывную мощность до 250 кВт при работе с постоянным напряжением 850…900 В и ШИМ 20 кГц, при этом, как уже было сказано ранее, уровень потерь оказывается на 80% ниже по сравнению с традиционными схемами на кремниевых IGBT.

Заключение

Появление доступных SiC-транзисторов стало переломным моментом для силовой электроники. Теперь преимущества этих ключей реализуются в самых разных приложениях. Компания Wolfspeed была одним из пионеров SiC-революции и в настоящий момент обладает самой большой номенклатурой серийно выпускаемых моделей карбид-кремниевых транзисторов. На сегодняшний день сообществу разработчиков предлагаются реальные SiC-решения, которые позволяют повысить эффективность, уменьшить габариты, увеличить плотность мощности и, наконец, обеспечить меньшую стоимость по сравнению с традиционными схемами на кремниевых транзисторах.

Оригинал статьи

Наши информационные каналы