Comment le carbure de silicium Wolfspeed permet aux alimentations à découpage hors ligne

La technologie au Carbure de Silicium (SiC) a amélioré plusieurs systèmes et sous-composants dans une variété d'applications. Comparé au silicium, le Carbure de Silicium a démontré une meilleure densité de puissance et efficacité grâce à un commutateur plus rapide, un RDS(on) stable sur la température et une meilleure performance de la diode de corps. Cet article explorera comment les composants SiC de Wolfspeed permettent aux systèmes SMPS hors ligne d'exceller en termes d'efficacité, densité de puissance, et coût global du système, notamment comparé aux dispositifs à base de Si et de GaN.

Tendances des SMPS et comparaison entre le Si, le carbure de silicium et le GaN

Les SMPS hors ligne sont généralement des systèmes d'alimentation ACDC tels que les centres de données, les stations de base télécom et les systèmes d'exploitation minière énergétique. Les centres de données consomment environ 10 % de toute l'électricité générée, et si l'implémentation de SiC permet d'économiser ne serait-ce qu'1 % d'énergie, cela se traduit par trois centrales nucléaires (chacune fonctionnant à 1 GW).   Par rapport à l'architecture de puissance standard de génération 1 des centres de données de l'industrie, la génération 2 a supprimé l'alimentation sans coupure et l'unité de distribution d'alimentation de l'entrée AC, changé le bus DC de 12 V à 48 V, et ajouté un système de sauvegarde de batterie au bus DC (48 V). En raison de ces changements, l'efficacité globale du système a augmenté à 85 %, économisant une quantité d'énergie équivalente à 27 centrales nucléaires.   Les spécifications typiques pour un centre de données de génération 2 contenant un redresseur télécom OCP3.0 ou HE sont les suivantes :

Lors de l'analyse du comportement de R_DS(on) par rapport à la température, on constate que SiC surpasse les autres technologies. De plus, la plupart des fiches techniques affichent R_DS(on) à la température ambiante (25˚C), mais les concepteurs doivent prévoir des températures de jonction réelles pouvant varier entre 120˚C et 140˚C. Il est important de noter que R_DS(on) est corrélé à la perte I²R (une perte de conduction), ce qui signifie que la valeur nominale de 60 mΩ pour SiC équivaut à 40 mΩ pour Si et GaN.   Pour un aperçu plus quantifié de la comparaison entre SiC, Si et GaN-on-Si, la Figure 2 démontre comment les propriétés thermiques, la tension et la taille/le boîtier s'améliorent lors de l'incorporation de composants SiC.

Plusieurs autres paramètres peuvent être comparés entre les technologies, tels que V_gs, la température de jonction T_j, R_DS(on), la capacitance et la récupération lors de la commutation. Bien que le SiC ne soit pas le meilleur dans toutes les catégories, il se distingue dans la plupart. En ce qui concerne la température, le SiC a le T_j,max le plus élevé, ce qui résulte en une meilleure robustesse globale, mais n’a pas tout à fait la résistance thermique de jonction (R_th) la plus basse. Cependant, le R_DS(on) du SiC sur la plupart des températures de fonctionnement est le plus bas, ce qui se traduit par des pertes plus faibles et une efficacité plus élevée, permettant une livraison de puissance maximale. Étant donné que le GaN n’a pas de capacités d’avalanche, l'énergie d’avalanche à impulsion unique du SiC lui confère une meilleure robustesse et protection. De plus, un V_gs,th plus élevé augmente l’immunité au bruit et est plus facile à piloter. En ce qui concerne la performance de commutation, le GaN peut offrir le Q_rr et la capacitance les plus bas, mais le SiC suit de près. Cela est important, car cela se rapporte aux pertes de commutation et à l'efficacité. En général, le Si est facile à piloter mais ne peut pas tout à fait rivaliser avec la performance et les pertes de commutation. Le GaN brille en termes de performance de commutation mais manque de robustesse, et le SiC offre une solution d'efficacité robuste tout autour avec de grandes propriétés thermiques et des pertes minimales.   La figure 3 montre une comparaison directe entre IPW60R055CFD7 (Si), C3M0060065J (SiC) et IGT60R070D1 (GaN).

Topologie PFC et sélection de composants

Traditionnellement, la technologie PFC nécessite un redresseur avec un composant LC, ce qui entraîne une configuration simple mais encombrante et lourde. L'industrie d'aujourd'hui utilise une topologie PFC boost actif, qui inclut un redresseur et un composant boost. Cette configuration est populaire à mettre en œuvre et offre des performances adéquates à un coût raisonnable, mais elle a du mal à atteindre les dernières normes d'efficacité. L'industrie évolue actuellement vers l'utilisation d'un design PFC sans pont à structure totem (montré dans la Figure 4) qui réduit les pertes et augmente la densité de puissance. C'est là que les SiC MOSFETs peuvent augmenter considérablement l'efficacité et répondre aux besoins des concepteurs de demain.

Il existe plusieurs solutions PFC sans pont à considérer pour une conception, y compris des technologies MOSFET couvrant Si, SiC et GaN. Lors de l'analyse des nombres de composants/coût, de la densité de puissance, de l'efficacité maximale et des exigences de contrôle de grille, une conception PFC à totem en mode de conduction continue (CCM) utilisant des MOSFETs en SiC est le choix évident pour les applications à haute efficacité et haute densité de puissance. La Figure 5 présente une comparaison détaillée de diverses topologies et technologies, mettant en évidence les avantages évidents des configurations à totem en CCM basées sur SiC.

Lorsque l'on compare les mêmes paramètres clés qu'auparavant, GaN continue d'offrir les meilleures performances de commutation mais avec un R_DS(on) beaucoup plus élevé sur la température, ce qui compromet ses capacités de distribution de puissance. Et avec un Vth très bas, il devient difficile à piloter et sujet au bruit. Pour l'efficacité, les configurations CCM totem-pôle basées sur SiC peuvent avoir des efficacités plus élevées que les topologies H-bridge basées sur Si et des efficacités similaires à GaN. Mais finalement, sa fiabilité accrue et ses températures de fonctionnement, ainsi que ses capacités en avalanche, en font le choix plus robuste et fiable pour une conception de PFC totem-pôle.   Bien que le coût des solutions Si soit le plus bas, il est moins cher d'implémenter SiC par rapport à GaN pour une configuration totem-pôle, ce qui place la performance haut de gamme à un prix raisonnable. Une analyse des coûts a été réalisée pour le Wolfspeed SiC C3M0060065J par rapport à cinq composants GaN équivalents pour un PFC totem-pôle de 3 kW, et il a été constaté qu'en comparant les interrupteurs de puissance, les alimentations auxiliaires, les drivers de grille et l'isolation, la détection de courant, les selfs PFC, et les coûts de refroidissement (dissipateurs thermiques), certains des dispositifs GaN peuvent coûter jusqu'à 84% de plus que SiC.   CRD-02AD065N est un module PFC totem-pôle de 2,2 kW de Wolfspeed qui utilise des MOSFETs C3M et atteint les normes 80plus Titanium (98,8% d'efficacité de pointe) tout en maintenant la distorsion harmonique totale à moins de 5% en conditions de charge complète. Les fichiers de conception et les supports de formation associés sont disponibles sur le site Web de Wolfspeed.

Sélection de composants et de topologie pour la conversion DC/DC

Une autre approche pouvant atteindre les hautes efficacités requises pour 80plus Titanium est un convertisseur résonant LLC (illustré à la Figure 6). Cette configuration fournit généralement une mise sous tension à tension nulle, une mise hors tension à faible courant (ce qui entraîne de faibles pertes de commutation), une commutation à haute fréquence, une faible surtension (ce qui la rend compatible EMI) et une flexibilité de contrôle. Cela rend le LLC comparable en termes d'efficacité et de densité de puissance.

Une comparaison des paramètres clés montrera des résultats similaires à ceux observés dans la configuration PFC. Le SiC a des performances de commutation similaires à GaN avec un meilleur R_DS(on) sur toute la plage de températures, une note de température de jonction plus élevée et des capacités d'avalanche, ce qui en fait le choix le plus fiable pour les dispositifs de puissance utilisés dans le LLC.   Le CRD06600DD065N est un exemple de conception de convertisseur LLC de 500 kHz par Wolfspeed et délivre 400 VDC (boucle fermée) ou 390–440 VDC (boucle ouverte) à 6,6 kW max avec une efficacité de pointe supérieure à 98 %. Les fichiers schématiques/PCB associés sont disponibles sur le site de Wolfspeed pour aider et guider un concepteur à travers cette topologie.   Ainsi, pour les convertisseurs LLC, le SiC délivre une puissance similaire au Si mais dans un format beaucoup plus petit et plus léger grâce aux aimants intégrés et plus petits permettant une fréquence de commutation plus élevée (voir Figure 7 pour la comparaison). Les résultats expérimentaux montrent que lorsqu'on fait fonctionner côte à côte un MOSFET en Si et un en SiC, le composant SiC (C3M0060065 par Wolfspeed) a une efficacité plus élevée grâce au R_DS(on) plat sur la température, une commutation rapide, et une faible perte de puissance de commande de grille. À des charges plus lourdes, le composant Si entre en emballement thermique en raison de pertes de conduction élevées et d'une commutation plus lente.

Résumé final 

Pour conclure, 80plus Titanium pour les systèmes SMPS hors ligne nécessite une très haute efficacité, que le SiC fournit avec un facteur de robustesse supplémentaire, permettant des applications à haute fiabilité. Le SiC peut offrir plus de 99 % d'efficacité avec des avantages évidents pour R_DS(on) en fonction de la température, une note de température de jonction plus élevée, des capacités d'avalanche, et avec une empreinte aux normes de l'industrie, en faisant le choix le plus approprié pour les dispositifs de puissance utilisés dans les applications de PFC en totem et de convertisseurs LLC. Le SiC est devenu une technologie établie qui transforme l'industrie de l'énergie à travers de nombreuses applications, et étant donné que Wolfspeed a inventé le MOSFET SiC, nous avons vu plus de 7 trillions d'heures de fonctionnement sur le terrain des puissances SiC de Wolfspeed et un portefeuille complet de composants/modules SiC qui continuent de mener le marché.