Wolfspeed碳化硅如何赋能离线开关模式电源
碳化硅 (SiC) 技术在多个应用领域显著提升了多个系统和子系统组件的性能。与硅相比，碳化硅通过更快的开关速度、在温度变化下保持平坦的RDS(on)、更优的体二极管性能表现，展现出了更高的功率密度和效率。本文将探讨Wolfspeed的碳化硅组件如何在离线开关电源 (SMPS) 系统中实现更高的效率、更大的功率密度以及更低的整体系统成本，特别是在与硅和氮化镓 (GaN) 器件的对比中表现出的优势。
开关模式电源（SMPS）趋势及硅 (Si)、碳化硅 (Silicon Carbide) 与氮化镓 (GaN) 的比较
离线开关电源系统（SMPS）通常是交流-直流（ACDC）电力系统，如数据中心、通信基站和电力挖矿系统。数据中心消耗了约10%的全球发电量，如果采用碳化硅（SiC）技术节省哪怕1%的能源，就相当于三座核电站（每座运行功率为1GW）。 与业界标准的第一代数据中心电力架构相比，第二代架构取消了交流输入中的不间断电源（UPS）和电力分配单元（PDU），将直流母线的电压从12V提升至48V，并在直流母线（48V）上增加了电池备份系统。由于这些改进，整体系统效率提升至85%，节省的能源相当于27座核电站。 包含OCP3.0或高效电信整流器（HE）的第二代数据中心系统的典型规格如下：
- 输入电压范围：180-305 VAC
- 输出功率：3,000 W
- 输出电压：48 V
- 效率：峰值为97.5%，在30%至100%负载范围内为96.5%
- 保持时间：20 毫秒
- 工作温度范围：0˚C 至 55˚C
效率会根据负载百分比而有所变化，但通常情况下，功率因素校正（PFC）需要超过99%的效率，而DC/DC转换器系统需要超过98.5%的效率。为了满足高效率和高功率密度的新要求，电源设计人员必须仔细研究拓扑结构和电源组件。这可以通过比较包括硅（Si）、碳化硅（SiC）和基于硅的氮化镓（GaN-on-Si）等技术来实现。 当比较硅或碳化硅MOSFET和氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）的物理差异时，可以从图1中观察到，氮化镓HEMT的横向结构需要增加其占用面积以适应更高的功率以及不同形式的电流流动，而硅的结构是纵向的。作为类比，这就像比较一个将电流向上推送的垂直“软管”和一个水平流动电流的“排水槽”。 此外，GaN HEMT在过电压条件下无法产生雪崩效应，这可能会导致灾难性故障。它们的短路能力也非常差（仅几百纳秒），其晶格热膨胀系数的不匹配可能会引发缺陷。
图1：Si/SiC与GaN HEMT器件的结构对比
在分析RDS(on)随温度变化的表现时，可以看到SiC在性能上优于其他技术。此外，大多数数据手册会标注RDS(on)在室温（25˚C）下的表现，但设计人员必须考虑实际结温，这可能在120˚C到140˚C之间变化。需要注意的是RDS(on)与I2R损耗（即导通损耗）相关，这意味着SiC的60 mΩ额定值相当于Si和GaN的40 mΩ。 为更量化地比较SiC与Si和GaN-on-Si的性能，图2展示了在集成SiC组件时其温度特性、电压以及尺寸/封装的改进情况。
参数 |
碳化硅 (SiC) |
硅基氮化镓 (GaN on Si) |
硅 (Silicon) |
| RDS(on) 随温度变化 | ~1.4× | ~2.6× | >2× |
| 热导率 | 3× | 1× | 1× |
| 电压范围 | 600V - 10,000V | 40V - 600V | 5V - 10,000V |
| 温度等级 | 175°C及以上 | 150°C | 150°C |
| 芯片尺寸 | 1× | 2× - 3× | 2× - 4× |
| 成本 | 1× | 1.3× - 2× | 0.5 - 0.75× |
| 现场工作小时 | >7万亿 | ~2000万 | 无法统计 |
| 封装 | 标准 | 定制 | 所有封装 |
| 集成 | 仅功率器件 | 驱动器、电路保护 | 简单到复杂 |
图2：Si、SiC和GaN-On-Si技术能力比较
可以比较技术之间的几个其他参数，例如Vgs、结温Tj、RDS(on)、电容以及开关时的恢复性能。虽然SiC并不是每一个类别都占优，但在大多数方面表现突出。就温度而言，SiC具有最高的Tj,max，这使得其整体的可靠性更高，但是其热结电阻（Rth）并不是最低。然而，在多数工作温度范围内，SiC的RDS(on)是最低的，这意味着较低的损耗和更高的效率，从而实现最大功率输出。因为GaN没有雪崩能力，SiC的单脉冲雪崩能量使其在可靠性和保护方面具有优势。此外，更高的Vgs,th提高了抗噪能力，并且更容易驱动。关于开关性能，GaN可以提供最低的Qrr和电容，但SiC紧随其后。这很重要，因为这些参数与开关损耗和效率相关。总体而言，Si易于驱动，但在开关性能和损耗方面表现稍弱；GaN在开关性能方面表现突出，但在可靠性上有所欠缺；而SiC提供了一种全面的可靠高效解决方案，具有优秀的热性能和最低的损耗。 图3显示了IPW60R055CFD7（Si）、C3M0060065J（SiC）和IGT60R070D1（GaN）之间的直接比较。
部件编号 |
VGS(th) 最小值 (V) |
TJ_max (°C) |
RDS(on) (mΩ 典型值) 25°C |
RDS(on) (mΩ 典型值) 75°C |
RDS(on) (mΩ 典型值) 125°C |
Coss tr (pF) |
Coss er (pF) |
Qrr (nC) |
Rth (K/W) |
| IPW60R055CFD7 | 3.5 | 150 | 46 | 64.4 | 88.8 | 1172 | 114 | 770 | 0.7 |
| C3M0060065J | 1.8 | 175 | 60 | 63.0 | 70.0 | 132 | 95 | 62 | 1.1 |
| IGT60R070D1 | 0.9 | 150 | 55 | 80.0 | 108.0 | 102 | 80 | 0* | 1 |
图 3：Si、SiC 和 GaN 的关键参数比较
PFC拓扑结构与组件选择
传统上，PFC技术需要一个带有LC组件的桥式整流器，这种配置较为简单，但体积大且较重。如今的工业领域采用主动升压型PFC拓扑结构，包括整流器和升压组件。这种配置易于实施，能够以较低成本提供足够的性能，但在达到最新的效率标准方面存在挑战。目前，行业正逐步采用无桥图腾柱PFC设计（如图4所示），该设计可以降低损耗并提高功率密度。在这一点上，SiC MOSFET能够显著提升效率，满足未来设计师的需求。
图 4：图腾柱无桥连续导通模式功率因数校正 (CCM PFC)
对于设计而言，有几种无桥功率因数校正（PFC）解决方案可供选择，其中包括涵盖硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）的MOSFET技术。在分析组件数量/成本、功率密度、峰值效率以及栅极控制要求时，采用碳化硅（SiC）MOSFET的连续导通模式（CCM）图腾柱功率因数校正设计显然是高效率、高功率密度应用的最佳选择。图5详细比较了各种拓扑结构和技术，突出了基于碳化硅（SiC）的连续导通图腾柱方案的显著优势。
#PFC电感 |
#功率半导体 |
功率密度 |
峰值效率 |
成本 |
控制 |
栅极驱动 |
|
| Si传统CCM PFC | 1 | 3+ | 中等 | 98.3% | 低 | 1 | 1 |
| Si有源桥CCM PFC | 1 | 6 | 中等 | 98.9% | 最高 | 2 | 2 |
| Si双升压无桥PFC | 2 | 6 | 较低 | 98.6% | 中等 | 1 | 1 |
| Si双升压无桥PFC SR | 2 | 6 | 较低 | 98.9% | 高 | 3 | 1 |
| Si H桥 PFC | 1 | 6 | 高 | 98.6% | 中等 | 2 | 2 |
| Si CrM图腾柱无桥PFC | 2 | 6 | 中等 | 98.9% | 最高 | 4 | 3 |
| SiC CCM图腾柱半无桥PFC | 1 | 4 | 最高 | 98.8% | 中等 | 2 | 2 |
| SiC CCM图腾柱无桥PFC | 1 | 4 | 最高 | 99.1% | 高 | 3 | 3 |
| GaN CCM图腾柱半无桥PFC | 1 | 4 | 最高 | 98.8% | 高 | 2 | 3 |
| GaN CCM图腾柱无桥PFC | 1 | 4 | 最高 | 99.2% | 最高 | 3 | 4 |
| GaN CrM图腾柱无桥PFC | 2 | 6 | 中等 | 99.1% | 最高 | 4 | 5 |
图5：无桥PFC解决方案和技术的比较
在比较相同关键参数时，GaN仍然具有最佳的开关性能，但随着温度升高，其RDS(on)显著增加，从而削弱了其功率传输能力。此外，由于其极低的阈值电压(Vth)，导致驱动困难且容易受到噪声影响。对于效率而言，基于SiC的CCM图腾柱PFC配置可以比基于Si的H桥拓扑实现更高的效率，并与GaN的效率相当。但最终，SiC的更高可靠性、持续运行温度范围以及雪崩能力使其成为图腾柱PFC设计中更坚固可靠的选择。 虽然Si解决方案的成本最低，但在图腾柱配置中实现SiC相比GaN更加经济，这使得高端性能在合理价格范围内成为可能。针对一款用于3千瓦图腾柱PFC的Wolfspeed SiC C3M0060065J与五个同等的GaN组件进行了成本分析，结果显示在比较功率开关、电源偏置、栅极驱动与隔离、电流检测、PFC电感以及冷却成本(散热片)时，其中一些GaN器件的成本可能比SiC高出多达84%。 CRD-02AD065N是一个Wolfspeed 2.2千瓦图腾柱PFC模块，使用C3M MOSFET，并达到80plus Titanium标准(最高效率98.8%)，同时在满负载条件下总谐波失真保持低于5%。相关设计文件和培训材料可在Wolfspeed的官方网站上获得。
用于DC/DC转换的组件和拓扑选择
另一种可实现达到80plus Titanium所需高效率的方法是LLC谐振转换器（如图6所示）。这种配置通常能实现零电压开通、低电流关断（从而减少开关损耗）、高频开关、低电压过冲（使其具备良好的电磁兼容性），同时具备灵活的控制方式。这使得LLC在效率和功率密度方面具有可比性。
图6：全桥/半桥LLC谐振转换器
一个关键参数的比较将显示出与PFC配置中类似的结果。SiC与GaN在开关性能上相似，但在整个温度范围内具有更好的RDS(on)，更高的结温额定值以及雪崩能力，使其成为LLC电源设备中更可靠的选择。 CRD06600DD065N是由Wolfspeed设计的一个500kHz LLC变换器的例子，输出为400 VDC（闭环）或390–440 VDC（开环），最大功率为6.6 kW，峰值效率超过98%。相关的原理图/PCB文件可在Wolfspeed的网站上获取，以帮助设计人员快速入门并指导他们完成这种拓扑结构的设计。 因此，对于LLC变换器，SiC能够以更高的开关频率实现相似于Si的功率输出，从而使整体系统更小、更轻（请参见图7的对比）。实验结果表明，当同时运行Si和SiC MOSFET时，SiC元件（Wolfspeed的C3M0060065）由于在温度范围内更稳定的RDS(on)、快速开关和低的栅极驱动功耗而具有更高的效率。在较重负载下，Si元件因为高导通损耗和较慢的开关速度而进入热失控。
图7：Si与SiC在效率和输出功率方面的实验结果，以及在对SiC与GaN进行类似测试时显示，它们在LLC转换器初级侧具有相当的效率。
最终总结
总而言之，对于离线开关电源（SMPS）系统而言，80plus Titanium认证要求极高的效率，碳化硅（SiC）不仅能实现这一目标，还具备更强的鲁棒性，从而支持高可靠性的应用。碳化硅能够提供超过99%的效率，并在温度变化时表现出对RDS(on)显著优势，具有更高的结温额定值、雪崩能力，并采用行业标准的封装，使其成为用于图腾柱功率因数校正（PFC）和LLC转换器应用的功率器件的最优选择。碳化硅已成为一种成熟技术，正在变革多个应用领域的电力行业。而随着Wolfspeed发明了碳化硅MOSFET，我们已经实现了超过7万亿小时的Wolfspeed碳化硅功率器件现场运行，其完整的碳化硅组件/模块产品组合仍然处于市场领导地位。
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