Conforme las exigencias del mercado en cuanto a centros de datos, vehículos eléctricos (EV), sistemas de almacenamiento de energía (ESS), sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) y suministros de energía portátiles aumentan, también lo hacen las demandas de soluciones de suministro de energía más eficientes.
El programa ENERGY STAR®, que cuenta con el respaldo del gobierno federal, brinda un modo simple e imparcial para clasificar la eficiencia energética de muchos productos eléctricos, incluidas las computadoras, los equipos de centros de datos, los electrodomésticos, los equipos de oficina, la calefacción y la refrigeración, como también muchos productos de construcción. Muchas compañías de Fortune 500 siguen las pautas de la Agencia de Protección Ambiental (EPA) para crear productos con eficiencia energética para mejorar el medioambiente, lo que incluye la calidad del aire. Se calcula que en 2017 solamente, los productos con certificación ENERGY STAR generaron ahorros por más de $30 mil millones.
Además, el programa 80 PLUS® promovió que se lograra al menos el 80 % de eficiencia en suministros de energía para computadoras. ¿Qué sucede a un suministro de energía de baja eficiencia? La energía desperdiciada se transforma en calor. A fin de satisfacer la demanda de la cantidad creciente de centros de datos, 80 PLUS publicó la norma 80 PLUS Titanium, por la cual se exige que los sistemas de suministros de energía alcancen una eficiencia de hasta el 96 %. A raíz de los requisitos de alta eficiencia, 80 PLUS Titanium también es la norma por la cual resulta más difícil adquirir la certificación.
Muchos fabricantes de sistemas de suministro de energía se apresuran a cumplir con estos requisitos para seguir siendo competitivos. Existen muchas dificultades en cuanto al diseño que deben superarse cuando el objetivo consiste en aumentar la eficiencia, reducir la pérdida por conmutación y lograr un tamaño pequeño en general.
¿Cuáles son las compensaciones en el diseño y cómo puede lograrse la optimización?
Desafíos en el diseño
Entre los objetivos en el diseño de un sistema de suministro de energía de CA/CC eficiente en el rango de los 400 V se incluyen:
- • Un rumbo claro para cumplir con las normas energéticas.
- • Lograr un tamaño compacto.
- • Mantener bajo el costo general.
- • Lograr la administración térmica eficiente.
- • Minimización de EMI.
Si bien estos objetivos son nobles, lograrlos no será una tarea tan sencilla. Resulta incluso más difícil cumplir con normas energéticas como ENERGY STAR y 80 PLUS Titanium.
Ningún diseño de suministro de energía puede alcanzar una eficiencia del 100 %. En la actualidad, la mayoría de los sistemas de suministro de energía por conmutación pueden alcanzar aproximadamente entre el 94 %y el 95 % de eficiencia, mientras que el 5 % restante se pierde en forma de calor. Se calculó que un aumento de la eficiencia del 1 % equivale a una reducción del 10 % de la disipación de calor. En otras palabras, un suministro de energía eficiente podrá emplear disipadores de calor y componentes más pequeños, tales como bobinas magnéticas y capacitores. El resultado es un tamaño general del producto más pequeño. Lo más importante es que el costo total del sistema también podrá reducirse. Entonces, ¿de qué modo los fabricantes pueden derribar la barrera de la eficiencia?
Derribar la barrera de la eficiencia
Wolfspeed estableció su liderazgo tecnológico en carburo de silicio 650 V con la presentación de la sexta generación de diodos Schottky, que posibilitaron los mayores niveles de eficiencia del sistema. Wolfspeed sigue siendo líder gracias a la introducción de los MOSFET de 650 V, 15 mΩ y 60 mΩ (RDS(on) a 25° C) de 3.ª generación, que capitalizan las ventajas del carburo de silicio para disminuir más las pérdidas de conducción y conmutación, y aumentar más la eficiencia energética y la densidad de potencia.
Los nuevos dispositivos (C3M0015065D, C3M0015065K, C3M0060065D, C3M0060065J y C3M0060065K) están calificados para operar en un amplio rango de temperaturas, que van desde -40° C hasta 175° C, y están disponibles en paquetes de orificios de paso (TO-247-3, TO-247-4) y de montaje superficial (TO-263-7).
Un parámetro clave que se debe observar al reducir las pérdidas es una baja resistencia en conducción (conforme más elevada sea la resistencia, mayor será la pérdida de conducción y la energía desperdiciada en forma de calor). Los nuevos MOSFET de Wolfspeed ofrecen las resistencias en conducción más bajas de la industria en un paquete discreto sobre el rango completo de temperatura de operación, con los MOSFET de 60 mΩ especificados para una RDS(on) de solo 79 mΩ a 175° C para alcanzar una eficiencia energética del 99 %.
La carga de recuperación inversa (Qrr) sumamente baja de los dispositivos, con un MOSFET de 60 mΩ que ofrece Qrr de 62 nC, reduce considerablemente las pérdidas por conmutación en comparación con el silicio en aplicaciones de conmutación dura. Esto, a su vez, permite frecuencias de conmutación más elevadas que pueden reducir el tamaño y el peso de los transformadores, los inductores, los capacitores y demás componentes pasivos del sistema.
Para mitigar la preocupación por las capacitancias parasitarias que también aumentan las pérdidas en la conmutación al aumentar la frecuencia de conmutación, Wolfspeed logró capacitancias de dispositivos mucho menores para los dispositivos con, por ejemplo, una capacitancia de salida de pequeña señal Coss de solo 80 pF para los modelos de 60 mΩ y 289 pF para los modelos de 15 mΩ.
El efecto dominó
¿Exactamente de qué forma el aumento de la eficiencia que brindan los MOSFET de carburo de silicio afecta el diseño general del sistema y la lista de materiales (BOM) para la unidad de suministro de energía (PSU)?
- • Una administración térmica más eficiente produce disipadores de calor de menor tamaño, lo cual reduce el peso y el tamaño de la PSU.
- • Una menor cantidad de componentes y componentes más pequeños reducen el costo de BOM de la PSU.
- • Una mayor eficiencia energética hace que el cumplimiento de las normas de la industria para PSU (ENERGY STAR y 80 PLUS Titanium) resulte posible.
- • El costo general reducido de los sistemas de PSU facilita la concreción de objetivos de ingresos
¿De qué manera resulta más favorable la familia de MOSFET de SiC 650 V C3M de Wolfspeed?
En comparación con los MOSFET de silicio de 650 V de la industria, Wolfspeed permite hasta el 50 % menos de pérdidas de conducción, el 75 % menos de las pérdidas por conmutación y casi cero carga de recuperación inversa en el diodo de cuerpo.
En comparación con los HEMT de GaN con silicio, Wolfspeed ofrece una reducción de las pérdidas de conducción superior al 50 % y la tecnología de MOSFET de SiC posee una mayor confiabilidad probada en campo.
Por último, en comparación con otras soluciones de MOSFET de SiC, Wolfspeed presenta una resistencia en conducción menor que es líder de la industria en la categoría de MOSFET de SiC 650 V, con la menor temperatura de intercambio en la resistencia, lo cual simplifica aún más la administración térmica del sistema.
Apoyo con diseños de referencia
Wolfspeed brinda su enorme apoyo a los dispositivos con diseños de referencia, y los nuevos MOSFET no son diferentes en ese aspecto. En el caso de la aplicación de potencia para servidores de centros de datos que se analiza anteriormente, el equipo de ingeniería de aplicaciones internacionales de la compañía creó un diseño de referencia PFC de CA/CC de 2,2 kW que emplea el MOSFET C3M0060065K de 60 mΩ en una topología totem-pole, una que las implementaciones con base en el Si no pueden alcanzar.
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