採用碳化矽設計工業馬達驅動器的實用工具
Simplify, accelerate and de-risk the design process when designing industrial motor drives with silicon carbide and easily access IE4 and IE5 efficiency standards.
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隨著全球經濟好轉，對伺服器的投資日益加大，以滿足商業應用程式、資料中心基礎設施和維護式 IT 運營的現代化需求。中國成為增長最快的伺服器市場，2021 年第一季度營收增長將 近 近 30%。賦能更強大的伺服器和其他算力設備的是能源，但大量的能源需求也對降低運營成本和實現許多國家/地區（包括中國）設定的氣候目標構成挑戰。
深圳市高斯寶電氣技術有限公司（Gospower）滿足了這一市場對高效電源的需求。該公司成立於 2006 年，專注于開發和生產用於網路設備、遊戲電腦、電信系統、儲能系統和電動汽車等各種應用的電力電子產品。
該市場的關鍵元件是冗餘電源，伺服器機房和資料中心需要冗餘電源來確保高可用性。冗餘電源是由兩個或多個物理電源組成的電源組的一部分，每個電源可獨立運行伺服器，因此即使其中一個電源出現故障，伺服器也可繼續運行。
Gospower 是此類產品的領先供應商，其產品符合 Intel 針對超融合計算、存儲和網路設備的通用冗餘電源（CRPS）標準的要求。該公司發起了一項設計 CRPS電源模組的專案，以滿足客戶對更高功率密度和更高效率的需求。
專案目標
Gospower 的目標是通過 40 mm x 185 mm x 73.5 mm 封裝尺寸的 CRPS 提供高達 2.6 kW 的功率，同時滿足能源之星 Energy Star 的 80 Plus 鈦金效率標準（表 1）。
為了在不犧牲效率的情況下，通過提高開關頻率來降低電感器和電容器的尺寸和成本，Gospower 等公司轉向採用寬能隙（WBG）半導體元件，如碳化矽（SiC）和氮化鎵（GaN）。此類半導體元件可被製作得更薄，並具有更低的導通電阻（RDS(ON)）、導通損耗、反向恢復電流，可降低開關損耗，並允許在比矽（Si）基器件可能實現的更高頻率下工作。
因此，Gospower 選擇了在寬能隙半導體元件方面具有豐富經驗和專精技術的供應商合作夥伴。
為何選擇 Wolfspeed？
Wolfspeed 是理想的合作夥伴。該公司在寬能隙半導體創新方面擁有超過 30 年的豐富經驗，可提供業界領先的性能和成本效益參數。作為最大的垂直整合供應商，Wolfspeed 提供的產品涵蓋 SiC 裸晶片和分立式元件（包括 MOSFET 和肖特基二極體）、功率模組和參考板等等，終端使用者現場使用超過 6 萬億小時。
Wolfspeed 的 SiC 技術可在寬泛的溫度範圍內提供業界更低、更穩定的 RDS(ON)（圖 1）。
此外，公司除了提供元器件外，還通過快速回應和生態系統支援（包括設計諮詢、柵極驅動器建議和設計工具 [包括參考設計和強大的 Speedfit™ 2.0 線上設計模擬器]）加強與客戶的關係。Speedfit™ 可加快對常見拓撲的元器件選擇和功率損耗及結溫計算。
Wolfspeed 650 V SiC MOSFET 滿足效率要求
有多種 PFC 拓撲可供選擇，具體取決於應用程式需求。然而，為了實現最高效率，有一種部分或完全去除高損耗二極體橋的趨勢。ii
例如，工程師可選擇雙升壓半無橋拓撲（圖 2），該拓撲採用左下角的兩個二極體來消除基本無橋 PFC 的浮動接地問題，拆分電感器來避免共模電磁干擾問題。採用矽 MOSFET 能夠實現的最高效率約為 95%，佔用空間大，需兩個電感器，總 BoM 成本更高，因此未能達到 Gospower 的所有專案目標。
為了達到 96% 的80Plus鈦金峰值效率，PFC 電路效率在滿負載時需超過 98% ，在低負載時需超過 96%。為了實現這一點，目前最受關注的無橋拓撲是圖騰柱（圖 2）。
然而，矽 MOSFET的反向恢復對圖騰柱 PFC 來說太慢，無法在連續導通模式 (CCM) 下高效運行。儘管圖騰柱 PFC 可在臨界模式（TM）下高效運行，但為了獲得高功率，需要相互交錯多個圖騰柱電路，而這會增加複雜性和成本。
Wolfspeed 的第三代 650 V SiC MOSFET 具有超低的反向恢復電 荷（Qrr），能夠解決這一 CCM 圖騰柱設計上的挑戰。例如，60-mΩ RDS(ON) 型號的 Qrr 僅為 62 nC，這可降低開關損耗並實現更高的開關頻率。
這些型號產品還可在整個工作溫度範圍內以分立封裝提供業界領先的更低導通電阻，其中 60-mΩ MOSFET 的額定 RDS(ON) 在 175°C 時僅為 80 mΩ。由於元件電容會隨開關頻率的提高而增加開關損耗，因此 Wolfspeed 為元件實現的元件電容要低得多。60-mΩ 型號實現的小信號輸出電容 Coss 僅為 80 pF，而 15-mΩ 型號的為 289 pF。
該元件可在 -40°C 至 175°C 的寬泛溫度範圍內運行，並提供通孔型（TO-247-3、TO-247-4）和表面貼裝（TO-263-7）封裝，解決了 Gospower 等公司面臨的效率、功率密度和元件成本挑戰。
克服穩定性問題
在大功率開關應用中，元件可能會受到常因元件不匹配而造成的瞬態短路和過電壓的影響。當開啟 FET 時，電感負載將儲存能量，當關閉 FET 時，可能會使 FET 超過擊穿電壓進入雪崩區域。
Gospower 在首次設計圖騰柱 PFC 時，採用了以特高頻能力著稱的 GaN 元件。在 CCM 圖騰柱中使用沒有強健雪崩能力的 GaN 功率電晶體和 SiC FET，會導致運行不穩定和元件故障。
雪崩能力在很大程 度上取決於擊穿能量、EBR 和能量的耗散率，以避免當熱產生的載流子超過非本征摻雜濃度時，將元件加熱至半導體材料的本征溫度。相比 SiC，GaN 的 EBR 更低，導熱性也明顯較低。
Wolfspeed 在説明 Gospower 調試電路時，發現追蹤和修復故障會顯著延後產品的上市時間。因此，他們採用 Wolfspeed SiC MOSFET 取代了 Gospower 最初選擇的開關管。Wolfspeed器件的及時支持以及高性能和易用性，説明提高了產品可靠性，並縮短了上市時間。
滿足效率和埠浪湧要求
Gospower 在使用 Wolfspeed 的 SiC MOSFET 進行開發時，發現他們的設計沒有達到目標效率水準，而且沒有通過交流埠浪湧測試。雖然該公司希望以 80 Plus 鈦金效率水準在市場上建立競爭優勢，但產品還需要在交流線路瞬態工況（包括線路電壓上升到額定電壓以上時的“浪湧”條件）下足夠穩健。他們向 Wolfspeed 尋求建議，他們的 AE 和 FAE 團隊通過審查電路和 PCB 佈局及時提供現場支援。
雖然可通過修改或增加限流電路來處理大湧流的問題，但這會增加元件數量和 BOM 成本。Wolfspeed 與 Gospower 通過對控制器固件的電流保護部分進行適當更改，攜手解決了這一問題。
Wolfspeed 支持團隊在檢查設計時發現，降低效率的因素之一是對共模（CM）扼流 圈的選擇，特別是在無橋拓撲中，由於 CM 雜訊會增加總諧波失真（THD）和降低 PFC，因此這是一個重要的考慮因素。支持團隊發現 Gospower 的 CM 扼流圈存在較高的傳導損耗，並通過推薦使用更大直徑的扼流圈銅線解決了這一問題。
Wolfspeed 的這種協作設計故障排除對於滿足設計目標和上市時間目標至關重要，這不僅提供了 CRPS 要求的 4 kV 浪湧保護，還滿足了 6 kV 網路設備構建系統（NEBS）標準規範。
成為效率引領者
Gospower 在無橋圖騰柱上採用業界更高性能的 SiC 部件，並得到 Wolfspeed 的快速回應現場設計支援，由此開發了 80 Plus 鈦金規範級別的 2.2 kW、2.4 kW 和 2.6 kW 型號的 185mm CRPS 解決方案。
這些型號不僅高效、可靠、經濟，而且可在更高的溫度下工作，並能以更小的尺寸實現更低的開關損耗、零反向恢復和更高的功率密度等特性。
這些新產品使 Gospower 成為中國大功率、高效率 CRPS 產品的引領者。