I dispositivi di alimentazione al carburo di silicio (SiC) sono utilizzati da molto tempo in una vasta gamma di applicazioni, tra cui alimentatori per server, sistemi di accumulo di corrente e inverter di corrente per pannelli solari. Il passaggio alla trazione elettrica da parte del settore automotive ha recentemente stimolato la crescita dell'uso del SiC e l'attenzione dei progettisti verso i vantaggi di questa tecnologia in aree di applicazione più ampie.
Scegliere la tecnologia giusta per un dispositivo
Indipendentemente dall'applicazione, ogni progetto per un dispositivo di alimentazione prende le mosse dalle stesse domande di base: quali sono la tensione in ingresso, la tensione in uscita e la corrente in uscita? Il passo successivo per i progettisti è definire i criteri di prestazione che stanno cercando di attivare nel loro prodotto finale. Attualmente, esistono numerose tecnologie a disposizione dei progettisti di alimentatori per soddisfare tali criteri, tra cui le soluzioni che prevedono l'uso di nitruro di gallio (GaN), di carburo di silicio (SiC) e varie tecnologie basate sul silicio (Si) come i MOSFET, i transistor bipolari a gate isolato (IGBT) e i dispositivi a supergiunzione (SJ) (Figura 1).
Figura 1: queste tecnologie hanno tutte i loro punti di forza e le aree di applicazione a cui si adattano meglio.
Quando la tensione nominale di scarica è inferiore a 400 V e il progetto richiede un funzionamento a frequenza relativamente bassa a meno di un kilowatt, il silicio è spesso una buona opzione. Se si desidera costruire un'applicazione compatta, come un caricabatterie USB, che richiede una frequenza di commutazione elevata per ridurre le dimensioni dei magneti, il GaN è una scelta eccellente. A livelli di potenza superiori a 1 kilowatt e tensioni nominali superiori a 600 V e fino a circa 1.700 V a basse frequenze, oltre al SiC, si possono prendere in considerazione gli IGBT. Tuttavia, nel caso frequenze di commutazione più elevate o di una maggiore densità di potenza, il SiC è l'opzione migliore.
Il fulcro della scelta
Nella Figura 1, tensioni e frequenze di commutazione moderatamente elevate segnano il fulcro di molte scelte. Tuttavia, l'elevata efficienza offerta dal SiC rappresenta un'opzione convincente, poiché la valutazione dei costi della BoM rispetto ai costi operativi può essere un fattore decisivo.
La resistenza in conduzione eccezionalmente bassa dei dispositivi SiC di Wolfspeed garantisce basse perdite di conduzione e maggiore efficienza. In confronto al silicio e al GaN sotto questo aspetto (Figura 2), il SiC assicura prestazioni migliori rispetto a tutte le altre tecnologie in tutte le applicazioni. Le proprietà del materiale stesso consentono una variazione minima della resistenza in conduzione in base alla temperatura, mentre il valore RDS(ON) di GaN e silicio aumenta di 2,5 volte o più rispetto al valore a temperatura ambiente.
Figura 2: i dispositivi SiC di Wolfspeed mantengono un valore RDS(ON) basso e stabile con un'ampia gamma di temperature.
Rendere possibile l'evoluzione del PFC
Figura 3: l'evoluzione del raddrizzatore full bridge da semplice dispositivo senza PFC a PFC di base bridgeless
Nella maggior parte degli odierni alimentatori a commutazione, il convertitore boost viene utilizzato dopo il ponte a diodi come PFC attivo per commutare ordini di grandezza molto maggiori rispetto alla frequenza di linea, in modo che sia possibile impiegare induttori e condensatori più piccoli. A seconda dell'applicazione, la sostituzione di un diodo a base di silicio con un diodo SiC nello stadio PFC attivo può aumentare l'efficienza da due a tre punti percentuali.
D'altro canto, aumentare la frequenza di commutazione da 80 kHz a 200 kHz può ridurre il fattore di forma o aumentare la densità di potenza fino al 60%. In generale, l'aumento della frequenza di commutazione contribuisce a ridurre le dimensioni dell'induttore e quindi anche le perdite nel rame nell'induttore.
Quando si passa da 200 kHz a 400 kHz, tuttavia, si osserva un livellamento delle perdite nel rame, mentre le perdite del nucleo dell'induttore continuano ad aumentare. Il risultato sono rendimenti decrescenti, dove una riduzione delle dimensioni dal 10% al 15% determina un aumento dal 10% al 15% della perdita di potenza. Questo compromesso può essere accettabile per le applicazioni in cui la riduzione delle dimensioni è un requisito fondamentale.
Per portare i livelli di efficienza a valori intorno al 95% o superiori, il circuito deve essere ridisegnato in modo da eliminare il ponte a diodi. Un modo per farlo nell'implementazione del boost è spostare l'induttore sull'ingresso CA e sostituire i due diodi inferiori del ponte con due MOSFET. L'interruttore a sinistra aumenta la tensione sul semiciclo positivo, mentre quello a destra la aumenta sul semiciclo negativo.
La sfida nel caso del circuito di base bridgeless è che il nodo di commutazione ad alta frequenza è collegato direttamente all'ingresso CA e la messa a terra in CC è flottante rispetto all'ingresso CA. Ciò può causare il passaggio diretto di qualsiasi capacità parassitica alle EMI in modalità comune. Un modo comune per aggirare questo problema è usare un'implementazione con doppio boost o semi-bridgeless (Figura 4, sinistra).
In questa topologia, i due diodi in basso a sinistra eliminano il problema della messa a terra flottante e la divisione dell'induttore elimina la connessione diretta del nodo di commutazione alla sorgente CA per risolvere il problema delle EMI in modalità comune. Sebbene si possano utilizzare dei MOSFET al silicio, si ottiene un'efficienza massima compresa tra il 95% e il 96%, un ingombro maggiore, due induttori e un costo BoM totale potenzialmente più elevato.
Figura 4: confronto tra la soluzione a doppio boost semi-bridgeless (a sinistra) e l'evoluzione full bridge della topologia totem pole (a destra) resa possibile dal SiC
Topologia totem pole
Un'alternativa alla configurazione a doppio boost semi-bridgeless è la topologia totem pole che prende il nome dal modo in cui i transistor sono impilati uno sopra l'altro (Figura 4, sopra). La topologia totem pole può essere realizzata in versione full bridge, come illustrato, oppure in versione bridgeless con i MOSFET nel ramo a bassa frequenza a destra sostituiti da diodi.
La grande sfida quando si usano topologie totem pole è la carica di recupero inverso del body diode del MOSFET se il convertitore funziona in condizione CCM (modalità di conduzione continua). Durante il passaggio dagli interruttori low-side a quelli high-side, non è possibile che entrambi i FET siano attivi contemporaneamente e i body diode devono essere conduttivi durante tale tempo morto. Le caratteristiche di recupero inverso del silicio eliminano l'efficienza (Figura 5).
Figura 5: confronto tra recupero inverso del body diode in SiC e Si
In tutti i modelli di alimentatori a commutazione fisica, quando il body diode deve essere conduttivo, si verificano perdite di recupero inverso. Con il SiC, che non ha portatori minoritari, la corrente di recupero inverso è quasi pari a zero. Il MOSFET al silicio, d'altra parte, presenta perdite che hanno ordini di grandezza decisamente superiori e questo rende il silicio inutilizzabile nella topologia totem pole.
Per le applicazioni di potenza RF che richiedono velocità di commutazione nell'ordine dei gigahertz a tensioni <50 v e="" potenza=""><50 w, la="" tecnologia="" preferita="" è="" quella="" al="" nitruro="" di="" gallio="" su="" carburo="" di="" silicio="" (gan-on-sic).="" a="" tensioni="" più="" elevate,="" il="" gan="" diventa="" decisamente="" troppo="" costoso.="">
Configurazione totem pole full-bridge o ibrida?
La versione completamente sincrona del totem pole è l'implementazione più efficiente. Sebbene possa utilizzare MOSFET al silicio nel ramo a bassa frequenza, solo l'implementazione di tutti e quattro i MOSFET SiC consente la bidirezionalità, ad esempio nelle applicazioni che si connettono a una rete intelligente, con qualche compromesso in termini di complessità e costo della BoM.
Figura 6: uno stadio di potenza PFC totem pole "ibrido"
La maggior parte delle applicazioni per cui il costo è un fattore importante, tra cui gli alimentatori per server, utilizza una topologia totem pole bridgeless o "ibrida" che si serve di diodi pin economici sul ramo a bassa frequenza (Figura 6). Questa topologia ha il vantaggio di utilizzare il minor numero di componenti e, con l'introduzione dei MOSFET SiC C3M di Wolfspeed nella classe 650-V, è un'implementazione economica con una riduzione inferiore allo 0,5% dell'efficienza del carico leggero rispetto a una struttura full bridge.
Ciò è già stato dimostrato dal progetto di riferimento da 2,2 kW CRD-02AD065N di Wolfspeed, disponibile per il download in un pacchetto che comprende BoM, schema elettrico, layout della scheda, presentazione e nota sulle applicazioni. Il progetto utilizza i nuovi MOSFET da 650 V e 60 mΩ per raggiungere lo standard di settore 80+ Titanium con efficienza superiore a 98,5% e THD.
I progetti totem pole basati su SiC come questo superano in modo significativo i requisiti dello standard 80+ Titanium in tutte le condizioni di carico, consentendo così agli ingegneri di allentare i vincoli di progettazione sulla sezione del convertitore CC-CC.
Visualizza prodotti correlati
Visualizza prodotti correlati
Visualizza prodotti correlati
Visualizza prodotti correlati
