Mit der steigenden Nachfrage nach Rechenzentren, Elektrofahrzeugen (EVs), Energiespeichersystemen (ESS), unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) und tragbaren Spannungsversorgungen steigt auch die Nachfrage nach effizienteren Stromversorgungslösungen.
Das ENERGY STAR®-Programm, das von der Bundesregierung unterstützt wird, bietet eine einfache und unvoreingenommene Möglichkeit, die Energieeffizienz vieler elektronischer Produkte zu bewerten, darunter Computer, Ausrüstung für Rechenzentren, Geräte, Büroausrüstung, Heizung und Kühlung sowie viele Bauprodukte. Viele Fortune 500-Unternehmen befolgen die Richtlinien der Environmental Protection Agency (EPA), um so energieeffiziente Produkte zur Verbesserung der Umwelt – einschließlich der Luftqualität – herzustellen. Es wird geschätzt, dass ENERGY STAR-zertifizierte Produkte allein im Jahr 2017 für Einsparungen von 30 Milliarden US-Dollar gesorgt haben.
Zusätzlich sorgte das ursprüngliche 80 PLUS®-Programm zum Erreichen eines Wirkungsgrades von mindestens 80 % für Computer-Spannungsversorgungen. Was geschieht mit einer Stromversorgung mit niedrigem Wirkungsgrad? Die verschwendete Energie wird in Wärme umgewandelt. Um den Anforderungen einer wachsenden Zahl von Rechenzentren gerecht zu werden, führte 80 PLUS den 80 PLUS Titanium-Standard ein, der von Spannungsversorgungen einen Wirkungsgrad von bis zu 96 % verlangt. Wegen der hohen Effizienzanforderungen ist 80 PLUS Titanium auch der Standard, für den es am schwierigsten ist, eine Zertifizierung zu erlangen.
Viele Hersteller von Stromversorgungen möchten diese Anforderungen schnell erfüllen, um wettbewerbsfähig zu bleiben. Wenn es darum geht, die Effizienz zu steigern, Umschaltungsverluste zu verringern und die Größe insgesamt klein zu halten, sind viele Designherausforderungen zu bewältigen.
Welche Kompromisse wurden beim Design gemacht, und wie kann eine Optimierung erreicht werden?
Designherausforderungen
Zu den Zielen bei der Entwicklung einer energieeffizienten AC/DC-Stromversorgung im 400-V-Bereich gehören:
- • Ein klarer Weg, um Energiestandards zu erfüllen
- • Eine kompakte Größe erreichen
- • Die Gesamtkosten gering halten
- • Effizientes Wärmemanagement erreichen
- • EMI minimieren
Obwohl es sich hier um edle Ziele handelt, ist es leichter gesagt als getan, sie zu erreichen. Bei der Einhaltung von Energiestandards wie ENERGY STAR und 80 PLUS Titanium handelt es sich um noch größere Herausforderungen.
Kein Stromversorgungsdesign kann einen Wirkungsgrad von 100 % erreichen. Heute können die meisten Schalt-Spannungsversorgungen einen Wirkungsgrad von etwa 94 % bis 95 % erreichen, wobei die restlichen 5 % als Wärmeverlust anfallen. Es wurde geschätzt, dass eine Effizienzsteigerung von 1 % einer Verringerung um 10 % der Wärmeableitung entspricht. Mit anderen Worten, eine effiziente Stromversorgung wird dazu in der Lage sein, kleinere Kühlkörper und kleinere Komponenten wie magnetischen Spulen und Kondensatoren zu verwenden. Das Ergebnis ist eine kleinere Gesamtproduktgröße. Vor allem können auch die Systemkosten insgesamt verringert werden. Wie können Hersteller also die Effizienzbarriere durchbrechen?
Die Effizienzbarriere durchbrechen
Wolfspeed hat mit der Einführung der Schottky-Dioden der 6. Generation, die Systemeffizienz auf höchstem Niveau ermöglichen, seine führende Position in der 650-V-Technologie von Silicon Carbide etabliert. Mit der Einführung derΩ 15-m und Ω 60-m (RDS(on) bei 25 °C) 650-V-MOSFETs der 3. Generation baut Wolfspeed seine Führungsposition weiter aus; diese Modelle nutzen die Vorteile von Siliziumkarbid für noch weniger Schaltverluste und höhere Energieeffizienz und -dichte.
Die neuen Geräte – C3M0015065D, C3M0015065K, C3M0060065D, C3M0060065J und C3M0060065K – sind für den Betrieb über einen großen Temperaturbereich hinweg (-40 °C bis 175 °C) geeignet und in Durchsteck‑ (TO-247-3, TO-247-4) und Oberflächenmontage‑ (TO-263-7) Paketen erhältlich.
Ein Schlüsselparameter, auf den man bei der Verringerung der Verluste achten muss, ist ein niedriger Durchlasswiderstand – je höher der Widerstand, desto größer der Leitungsverlust und die als Wärme verlorene Leistung. Die neuen MOSFETs von Wolfspeed bieten den branchenweit niedrigsten Durchlasswiderstand in einem diskreten Paket über den gesamten Betriebstemperaturbereich hinweg: Die 60-mΩ MOSFETs sind für einen RDS(on)-Wert von 79 mΩ bei 175 °C spezifiziert, um eine Leistungseffizienz von 99 % zu erreichen.
Die ultra-niedrige Umkehr-Erholungsladung (Qrr) der Geräte, wobei der 60-mΩ-MOSFET eine Qrr von 62 nC bietet, reduziert die Schaltverluste im Vergleich zu Silizium bei hart geschalteten Anwendungen drastisch. Dies wiederum ermöglicht höhere Schaltfrequenzen, die die Größe und das Gewicht der Transformatoren, Induktoren, Kondensatoren und anderer passiver Komponenten im System verringern können.
Zur Bekämpfung der Besorgnis über parasitäre Kapazitäten, die bei Erhöhung der Schaltfrequenz auch die Schaltverluste erhöhen, erzielte Wolfspeed deutlich niedrigere Gerätekapazitäten, etwa eine Kleinsignalausgabekapazität Coss von nur 80 pF bei den 60-mΩ-Modellen und 289 pF bei den 15-mΩ-Modellen.
Die Welleneffekte
Wie genau wirkt sich die Effizienzsteigerung von Siliziumkarbid-MOSFETs auf das gesamte Systemdesign und die Stückliste für die Spannungsversorgungseinheit (Power Supply Unit, PSU) aus?
- • Ein effizienteres Wärmemanagement führt zu kleineren Kühlkörpern. Dadurch verringert sich das Gewicht und die Größe der Spannungsversorgungseinheit
- • Immer kleinere Komponenten sowie eine geringere Anzahl reduzieren die Kosten für PSU-Stücklisten
- • Höhere Leistungseffizienz ermöglicht die Einhaltung von Spannungsversorgungsindustrienormen (ENERGY STAR und 80 PLUS Titanium)
- • Geringere Gesamtkosten für das PSU-System erleichtern das Erreichen von Umsatzzielen
Wie ist die Wolfspeed-C3M-SiC-650-V-MOSFET-Familie zusammengesetzt?
Im Vergleich zu den branchenüblichen 650-V-Silizium-MOSFETs ermöglicht Wolfspeed bis zu 50 % geringere Leitungsverluste, bis zu 75 % geringere Schaltverluste und nahezu keine rückwärtige Rückgewinnungsladung in der Body-Diode.
Im Vergleich zu GaN-HEMTs auf Silizium sind die Leitungsverluste bei Wolfspeed um mehr als 50 % geringer, und die SiC-MOSFET-Technologie weist eine höhere praxiserprobte Zuverlässigkeit auf.
Abschließend hat Wolfspeed im Vergleich zu anderen SiC-MOSFET-Lösungen den branchenweit niedrigsten Durchlasswiderstand in der 650-V-SiC-MOSFET-Kategorie mit der niedrigsten Temperaturveränderung des Durchlasswiderstands. Dadurch wird das Wärmemanagement im System weiter vereinfacht.
Mit Referenzdesigns unterstützt
Wolfspeed bietet umfassende Unterstützung für seine Geräte mit Referenzdesigns, und die neuen MOSFETs sind dabei keine Ausnahme. Für die oben beschriebene Serverleistungsanwendung für Rechenzentren erstellte das globale Technikteam für Anwendungen des Unternehmens ein 2,2-kW-AC/DC-PFC-Referenzdesign unter Verwendung des C3M0060065K 60-mΩ-MOSFET in einer Totempfahl-Topologie, die mit Si-basierten Implementierungen nicht erreicht werden konnte.
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