Superare la barriera dell'efficienza degli alimentatori

28 apr 2020

Con l'aumento della domanda da parte del mercato di data center, veicoli elettrici (EV), sistemi di accumulo di energia (ESS), gruppi di continuità (UPS) e alimentatori portatili, aumentano anche le richieste di soluzioni di alimentazione più efficienti.

Il programma ENERGY STAR®, sostenuto dal governo federale statunitense, fornisce un modo semplice e imparziale per valutare l'efficienza energetica di molti prodotti elettrici tra cui computer, apparecchiature per data center, elettrodomestici, apparecchiature per ufficio, sistemi di riscaldamento e raffreddamento e molti prodotti che vengono installati negli edifici. Molte società Fortune 500 seguono le linee guida dell'EPA (Environmental Protection Agency, Agenzia statunitense per la protezione dell'ambiente) per fabbricare prodotti ad alta efficienza energetica per migliorare le condizioni ambientali, compresa la qualità dell'aria. Si stima che, solo nel 2017, i prodotti certificati ENERGY STAR abbiano fatto risparmiare oltre 30 miliardi di dollari.

Inoltre, il programma 80 PLUS® originale promuoveva il raggiungimento di un'efficienza pari ad almeno l'80% per gli alimentatori per computer. Cosa succede a un alimentatore a bassa efficienza? L'energia in eccesso si trasforma in calore. Per soddisfare la domanda di un numero crescente di data center, 80 PLUS ha lanciato lo standard 80 PLUS Titanium, in base al quale gli alimentatori devono raggiungere un'efficienza pari a fino il 96%. A causa dei requisiti di alta efficienza, 80 PLUS Titanium è anche lo standard per cui è più difficile ottenere la certificazione.

Molti produttori di alimentatori stanno stringendo i tempi per soddisfare questi requisiti e rimanere competitivi. Tuttavia, si devono superare molte sfide progettuali quando gli obiettivi sono aumentare l'efficienza e ridurre la perdita di commutazione e le dimensioni complessive.

Quali sono i compromessi di progettazione da accettare e come è possibile ottenere l'ottimizzazione?

Sfide di progettazione

Gli obiettivi di progettazione di un alimentatore CA/CC ad alta efficienza energetica nella gamma 400 V includono:

• Un percorso chiaro per soddisfare gli standard energetici
• Dimensioni compatte
• Contenimento dei costi complessivi
• Efficienza della gestione termica
• Riduzione delle interferenze EM

Sebbene tali obiettivi siano nobili, il loro raggiungimento è più facile in teoria che in pratica. Ed è ancora più difficile soddisfare standard energetici come ENERGY STAR e 80 PLUS Titanium.

Nessun progetto di alimentatore può raggiungere un'efficienza del 100%. Oggi, la maggior parte degli alimentatori a commutazione può raggiungere un'efficienza compresa tra il 94% e il 95% circa, mentre il restante 5% si trasforma in perdita sotto forma di calore. È stato stimato che un aumento dell'efficienza dell'1% equivale a una riduzione del 10% della dissipazione del calore. In altre parole, un alimentatore efficiente sarà in grado di utilizzare dissipatori più piccoli e componenti di dimensioni più ridotte come bobine magnetiche e condensatori. Il risultato è un prodotto con dimensioni complessive più contenute. Cosa più importante, sarebbe possibile ridurre anche i costi totali del sistema. Quindi, come possono i produttori superare la barriera dell'efficienza?

Superare la barriera dell'efficienza

Wolfspeed ha stabilito la propria leadership tecnologica relativamente al carburo di silicio da 650 V con l'introduzione dei diodi Schottky di sesta generazione che consentivano di ottenere i livelli più elevati di efficienza dei sistemi. Wolfspeed mantiene la sua leadership con l'introduzione dei MOSFET da 650 V di 3° generazione da 15 mΩ e 60 mΩ (R_DS(on) a 25 °C), che sfruttano ancora meglio i vantaggi del carburo di silicio per ridurre le perdite di conduzione e commutazione e aumentare l'efficienza energetica e la densità di potenza.

I nuovi dispositivi C3M0015065D, C3M0015065K, C3M0060065D, C3M0060065J e C3M0060065K sono idonei per il funzionamento in un ampio intervallo di temperature che va da -40 °C a 175 °C e sono disponibili in package a foro passante (TO-247-3, TO-247-4) e per montaggio superficiale (TO-263-7).

Un parametro chiave da tenere presente per la riduzione delle perdite è una bassa resistenza di ON: maggiore è la resistenza, maggiori saranno la perdita di conduzione e la potenza dispersa sotto forma di calore. I nuovi MOSFET Wolfspeed offrono le resistenze di ON più basse del settore in un package separato nell'intero intervallo di temperature d'esercizio, con i MOSFET da 60 mΩ che hanno specifiche per un RDS(on) di appena 79 mΩ a 175 °C per raggiungere un'efficienza energetica del 99%.

La bassissima carica di recupero inverso (Qrr) dei dispositivi, con il MOSFET da 60 mΩ che offre una Qrr di 62 nC, riduce drasticamente le perdite di commutazione rispetto al silicio nelle applicazioni hard-switch. Questa caratteristica, a sua volta, consente frequenze di commutazione più elevate che possono ridurre le dimensioni e il peso di trasformatori, induttori, condensatori e altri componenti passivi del sistema.

Per contrastare la preoccupazione relativa alle capacità parassitiche che aumentano anch'esse le perdite di commutazione all'aumentare della frequenza di commutazione, Wolfspeed ha raggiunto capacità elettriche decisamente più basse con una capacità di uscita con segnale basso C_oss pari ad appena 80 pF per i modelli da 60 mΩ e a 289 pF per i modelli da 15 mΩ.

Effetto domino

In che modo esattamente l'aumento di efficienza garantito dai MOSFET al carburo di silicio influisce sulla progettazione complessiva dei sistemi e sulla distinta base (BOM) per l'alimentatore (PSU)?

• Una gestione termica più efficiente consente di utilizzare dissipatori di calore più piccoli e ciò riduce il peso e le dimensioni del PSU
• La riduzione del numero e delle dimensioni dei componenti diminuisce i costi della BOM del PSU
• Una maggiore efficienza energetica permette di raggiungere la conformità agli standard di settore (ENERGY STAR e 80 PLUS Titanium) per i PSU
• Un costo complessivo ridotto del sistema PSU rende più facile soddisfare gli obiettivi di profitto

Come se la cava la famiglia di MOSFET SiC C3M da 650 V di Wolfspeed rispetto alla concorrenza?

Rispetto ai MOSFET al silicio da 650 V del settore, Wolfspeed consente perdite di conduzione inferiori fino al 50%, perdite di commutazione fino al 75% più basse e una carica di recupero inversa quasi nulla nel diodo del corpo.

Rispetto agli HEMT GaN al silicio, Wolfspeed presenta perdite di conduzione inferiori di oltre il 50% e la tecnologia MOSFET SiC offre una maggiore affidabilità comprovata sul campo.

Infine, rispetto ad altre soluzioni MOSFET SiC, Wolfspeed presenta la più bassa resistenza di ON del settore nella categoria MOSFET SiC da 650 V con il cambiamento di resistenza di ON più basso rispetto alla temperatura, il che semplifica ulteriormente la gestione termica del sistema.

Assistenza con progetti di riferimento

Wolfspeed offre assistenza completa per i propri dispositivi con dei progetti di riferimento e i nuovi MOSFET non fanno eccezione. Per l'applicazione di alimentazione dei server dei data center discussa in precedenza, il team di progettazione delle applicazioni globali della società ha creato un progetto di riferimento PFC CA/CC da 2,2 kW, utilizzando il MOSFET C3M0060065K da 60 mΩ in una topologia totem-pole, che le implementazioni basate su Si non sono in grado di realizzare.