Wolfspeed 碳化矽技術如何幫助離線式開關模式電源

碳化矽（SiC）技術推動多種應用和功率系統的設計創新。與矽（Si）相比，SiC 憑藉更快的開關速度、在溫度範圍內平穩的導通電阻 R_DS(on) 和更優的體二極體性能，展現出更佳的功率密度和效率。

本文將探討 Wolfspeed 的 SiC 元件如何幫助離線式 SMPS（開關模式電源）系統在效率、功率密度和整體系統成本方面的優勢，尤其是與 Si 和氮化鎵（GaN）元件相比較。

SMPS 趨勢以及 Si、SiC 和 GaN 之間的比較

離線式 SMPS 通常是 ACDC 電源系統，例如資料中心、電信基站和電力挖掘系統等。資料中心消耗約 10% 的總發電量，如果採用 SiC，哪怕只節省 1% 的能源，也相當於節省了三座核電站的發電量（每座核電站裝機容量為 1 GW）。

與業界標準的第 1 代資料中心電源架構相比，第 2 代從交流（AC）輸入中移除了不斷電供應系統和配電單元，將直流（DC）母線從 12 V 改為 48 V，並在 DC 母線（48 V）上增加了電池備份系統。由於這些變化，整體系統效率提高到 85%，相當於節省了 27 座核電站的能源消耗。

包含 OCP3.0 或 HE 電信整流器的第 2 代資料中心的典型規格如下：

• 輸入電壓範圍：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%；負載為30% 至 100% 時，效率為 96.5%
• 保持時間：20 ms
• 工作溫度範圍：0˚C - 55˚C

效率因負載百分比而異，但一般而言，功率因數校正（PFC）需要 99% 以上的效率，而 DC/DC 轉換器系統則需要 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，電源設計人員必須密切關注拓撲和功率元件。這可以通過比較 Si、SiC 和矽基氮化鎵 (GaN-on-Si) 等技術來實現。

在比較 Si 或 SiC MOSFET（金屬氧化物半導體場效應電晶體）與 GaN HEMT（高電子遷移率電晶體）之間的物理差異時（如圖 1 所示），GaN HEMT 的橫向結構需要增加其占位元面積，以滿足更高的功率和不同形式的電流，而 Si 的結構則是縱向的。這就像將向上推動電流的垂直“軟管”與使電流水準流動的“雨水槽”進行比較。

此外，GaN HEMT 在過電壓情況下不會雪崩，這可能會導致災難性故障。GaN HEMT 的抗短路能力也很差（只有幾百納秒），且晶格熱膨脹係數不匹配的話，會導致缺陷。

分析 R_DS(on) 在溫度方面的表現時，可以看到 SiC 優於其他技術。此外，大多數的資料表列只出了室溫（25˚C）下的 R_DS(on)，但設計人員必須針對可能在 120˚C 和 140˚C 之間變化的實際結溫進行規劃。值得注意的是，R_DS(on) 與 I²R 損耗（傳導損耗）相關，這意味著 SiC 的 60-mΩ 額定值相當於 Si 和 GaN 的 40 mΩ。

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

可以比較這些技術之間的其他幾個參數，例如 V_gs、結溫 T_j、R_DS(on)、電容和開關恢復。雖然 SiC 並未在每個類別的比較中均勝出，但它確實在大多數技術性能方面表現出色。在溫度方面，SiC 具有最高的 T_j,max，因此整體魯棒性較好，但熱結電阻（R_th）並非最低。然而，在大多數工作溫度下，SiC 的 R­_DS(on) 是最低的，這意味著損耗更低、效率更高，從而實現最大的功率輸出。由於 GaN 不具有雪崩特性，而 SiC 的單脈衝雪崩能量使其具有更好的魯棒性和保護性。此外，更高的 V_gs,th 可提高抗噪性並且更易於驅動。在開關性能方面，GaN 可以提供最低的 Q_rr 和電容，SiC 與之相比相差不大。這一點很重要，因為關係到開關損耗。總體來說，Si 易於驅動，但在開關性能方面沒有競爭優勢。GaN 在開關性能方面表現出色，但缺乏魯棒性，而 SiC 則提供了全面且穩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。

PFC 拓撲和元件選擇

傳統的 PFC 技術需要帶有 LC 元件的橋式整流器，雖配置簡單但體積龐大且笨重。現如今，業界採用有源 PFC 升壓型拓撲，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，但難以達到最新的效率標準。目前，業界目前正在逐步採用圖騰柱無橋 PFC 設計（如圖 4 所示），以降低損耗並提高功率密度。SiC MOSFET 正好可以大大提高效率並滿足未來設計的需求。

設計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。分析元件數量/成本、功率密度、峰值效率和柵極控制要求時，採用 SiC MOSFET 的連續傳導模式（CCM）圖騰柱 PFC 設計是高效率、高功率密度應用的明確選擇。圖 5 展示了各種拓撲和技術的詳細比較，突出了 SiC 基 CCM 圖騰柱佈置的顯著優勢。

如此前比較關鍵參數時，GaN 展示了最佳的開關性能，但隨溫度變化的 R_DS(on) 要高得多，這會影響其功率輸出能力，且較低的 V_th 使其變得難以驅動且容易被噪音影響。在效率方面，SiC 基 CCM 圖騰柱 PFC 配置可以比 Si 基 H-橋拓撲具有更高的效率，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 應用中更合適的選擇。

儘管 Si 元件本身的成本最低，但在圖騰柱配置中採用 SiC 比採用 GaN 要更具系統成本效益，正可謂以合理的價格點實現了卓越的性能。針對 3-kW 圖騰柱 PFC 的五個等效 GaN 元件，對 Wolfspeed SiC C3M0060065J 進行了成本分析，結果發現，在比較電源開關、偏置電源、柵極驅動器和隔離、電流感應、PFC 扼流圈和冷卻成本（散熱器）時，一些 GaN 元件的成本可能比 SiC 元件成本高出 84% 之多。

CRD-02AD065N 是 Wolfspeed 2.2-kW 圖騰柱 PFC 模組，它使用 C3M MOSFET 且達到 80plus 鈦金標準（98.8% 峰值效率），並在滿載條件下，保持總諧波失真小於 5%。Wolfspeed 網站上提供了設計檔和相關的培訓材料。

用於 DC/DC 轉換的元件和拓撲選擇

另一種可以實現 80plus 鈦金標準所需高效率的方法是 LLC 諧振轉換器（如圖 6 所示）。這種配置通常提供零電壓開啟、低電流關斷（帶來低開關損耗）、高頻率開關、低電壓過沖（使其對 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。

關鍵參數比較將顯示與 PFC 配置中所見類似的結果。SiC 具有與 GaN 相似的開關性能，在整個溫度範圍內具有更佳的 R_DS(on)、更高的結溫額定值和雪崩能力，是 LLC 中使用的功率元件的更可靠選擇。

CRD06600DD065N 是 Wolfspeed 設計的 500-kHz LLC 轉換器的一個示例，可在輸出功率達到最大 6.6 kW 時實現 400 VDC 輸出（閉環）或 390–440 VDC 輸出（開環），峰值效率超過 98%。Wolfspeed 網站上提供了相關的原理圖/PCB 檔，以幫助啟動和指導設計人員完成此拓撲。

因此，對於 LLC 轉換器來說，SiC 提供與 Si 相似的功率，但由於集成且更小的磁性元件，可實現更高的開關頻率（參見圖 7 的比較結果），使其更小型、更輕量。實驗結果表明，Si 和 SiC MOSFET 並行運行時，SiC 部件（Wolfspeed 製造的 C3M0060065）由於 R_DS(on) 隨溫度變化平穩、開關速度快、柵極驅動功率損耗低，因此具有更高的效率。在更高負載下，由於高傳導損耗和較慢的開關速度，Si 部件會進入熱失控狀態。當使用 SiC 與 GaN 進行類似測試時，結果表明它們在 LLC 轉換器的初級側具有相當的效率。

結論

總而言之，用於離線式 SMPS 系統的 80plus 鈦金標準需要非常高的效率，SiC 可提供額外的魯棒性因數，從而實現高可靠性應用。SiC 可提供超過 99% 的效率，在溫度範圍內 R_DS(on) 具有的顯著優勢、更高的結溫額定值、雪崩能力以及符合行業標準的占位面積，是圖騰柱 PFC 和 LLC 轉換器應用中使用的功率元件的最合適選擇。

SiC 已成為一種成熟的技術，正在改變電源行業的許多應用，並且通過 Wolfspeed 發明的 SiC MOSFET，我們見證了 Wolfspeed SiC 功率產品超過 7 萬億小時的現場作業，以及完整的 SiC元件/模組組合繼續引領市場。