碳化硅技术如何赋能离线式开关模式电源

碳化硅（SiC）技术推动多种应用和功率系统的设计创新。与硅（Si）相比，SiC 凭借更快的开关速度、在温度范围内平稳的导通电阻 RDS(on) 和更优的体二极管性能，展现出更佳的功率密度和效率。

本文将探讨 Wolfspeed 的 SiC 元件如何赋能离线式 SMPS（开关模式电源）系统在效率、功率密度和整体系统成本方面的优势，尤其是与 Si 和氮化镓（GaN）器件相比较。

SMPS 趋势以及 Si、SiC 和 GaN 之间的比较

离线式 SMPS 通常是 ACDC 电源系统，例如数据中心、电信基站和电力挖掘系统等。数据中心消耗约 10% 的总发电量，如果采用 SiC，哪怕只节省 1% 的能源，也相当于节省了三座核电站的发电量（每座核电站装机容量为 1 GW）。

与业界标准的第 1 代数据中心电源架构相比，第 2 代从交流（AC）输入中移除了不间断电源和配电单元，将直流（DC）母线从 12 V 改为 48 V，并在 DC 母线（48 V）上增加了电池备份系统。由于这些变化，整体系统效率提高到 85%，相当于节省了 27 座核电站的能源消耗。

包含 OCP3.0 或 HE 电信整流器的第 2 代数据中心的典型规格如下：

输入电压范围：180-305 VAC

输出功率：3,000 W

输出电压：48 V

效率：峰值效率为 97.5%；负载为30% 至 100% 时，效率为 96.5%

保持时间：20 ms

工作温度范围：0˚C - 55˚C

效率因负载百分比而异，但一般而言，功率因数校正（PFC）需要 99% 以上的效率，而 DC/DC 转换器系统则需要 98.5% 以上的效率。为了满足这些高效率和高功率密度的新要求，电源设计人员必须密切关注拓扑和功率器件。这可以通过比较 Si、SiC 和硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 等技术来实现。

在比较 Si 或 SiC MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）与 GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）之间的物理差异时（如图 1 所示），GaN HEMT 的横向结构需要增加其占位面积，以满足更高的功率和不同形式的电流，而 Si 的结构则是纵向的。打个比方，这就像将向上推动电流的垂直“软管”与使电流水平流动的“雨水槽”进行比较。

此外，GaN HEMT 在过电压情况下不会雪崩，这可能会导致灾难性故障。GaN HEMT 的抗短路能力也很差（只有几百纳秒），且晶格热膨胀系数不匹配的话，会导致缺陷。

Figure 1: Structure comparison for Si/SiC and GaN HEMT devices

分析 RDS(on) 在温度方面的表现时，可以看到 SiC 优于其他技术。此外，大多数的数据表列只出了室温（25˚C）下的 RDS(on)，但设计人员必须针对可能在 120˚C 和 140˚C 之间变化的实际结温进行规划。值得注意的是，RDS(on) 与 I2R 损耗（传导损耗）相关，这意味着 SiC 的 60-mΩ 额定值相当于 Si 和 GaN 的 40 mΩ。

为了更加量化地了解 SiC 与 Si 和 GaN-on-Si 之间的对比情况，图 2 展示了加入 SiC 元件时，温度特性、电压和尺寸/封装的改善情况。

Parameter	SiC	GaN on Si	Silicon
RDS(on) vs Temperature	~1.4×	~2.6×	>2×
Thermal conductivity	3×	1×	1×
Voltage range	600V - 10,000V	40V - 600V	5V - 10,000V
Temperature rating	175°C and above	150°C	150°C
Die Size	1×	2× - 3×	2× - 4×
Cost	1×	1.3× - 2×	0.5 - 0.75×
Field hours	>7 trillion	~20 million	Too many to compute
Packaging	Standard	Custom	Everything
Integration	Power Device Only	Gate driver, protection	Simple thru to high

图 2：Si、SiC 和 GaN-on-Si 之间的技术性能比较

可以比较这些技术之间的其他几个参数，例如 Vgs、结温 Tj、RDS(on)、电容和开关恢复。虽然 SiC 并未在每个类别的比较中均胜出，但它确实在大多数技术性能方面表现出色。在温度方面，SiC 具有最高的 Tj,max，因此整体鲁棒性较好，但热结电阻（Rth）并非最低。然而，在大多数工作温度下，SiC 的 R­DS(on) 是最低的，这意味着损耗更低、效率更高，从而实现最大的功率输出。由于 GaN 不具有雪崩特性，而 SiC 的单脉冲雪崩能量使其具有更好的鲁棒性和保护性。此外，更高的 Vgs,th 可提高抗噪性并且更易于驱动。在开关性能方面，GaN 可以提供最低的 Qrr 和电容，SiC 与之相比相差不大。这一点很重要，因为关系到开关损耗。总体来说，Si 易于驱动，但在开关性能方面没有竞争优势。GaN 在开关性能方面表现出色，但缺乏鲁棒性，而 SiC 则提供了全面且稳健的高效率解决方案，具有出色的热性能特性。

图 3 显示了 IPW60R055CFD7 (Si)、C3M0060065J (SiC) 和 IGT60R070D1 (GaN) 之间的直接比较。

Part Number	VGS(th) min(V)	TJ_max (degC)	RDS(on) (mΩ typical) 25°C	RDS(on) (mΩ typical) 75°C	RDS(on) (mΩ typical) 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 拓扑和元件选择

传统的 PFC 技术需要带有 LC 元件的桥式整流器，虽配置简单但体积庞大且笨重。现如今，业界采用有源 PFC 升压型拓扑，其中包括整流器和升压元件。这种配置很受欢迎，成本合理且性能足矣，但难以达到最新的效率标准。目前，业界目前正在逐步采用图腾柱无桥 PFC 设计（如图 4 所示），以降低损耗并提高功率密度。SiC MOSFET 正好可以大大提高效率并满足未来设计的需求。

Figure 4: Totem-pole bridgeless CCM PFC

设计中需要考虑多种无桥 PFC 解决方案，包括涵盖 Si、SiC 和 GaN 的 MOSFET 技术。分析元件数量/成本、功率密度、峰值效率和栅极控制要求时，采用 SiC MOSFET 的连续传导模式（CCM）图腾柱 PFC 设计是高效率、高功率密度应用的明确选择。图 5 展示了各种拓扑和技术的详细比较，突出了 SiC 基 CCM 图腾柱布置的显著优势。

	#PFC Choke	#Power Semi-conductor	Power density	Peak Efficiency	Cost	Control	Gate Drive
Si Conventional CCM PFC	1	3+	Medium	98.3%	Low	1	1
Si Active Bridge CCM PFC	1	6	Medium	98.9%	Highest	2	2
Si Dual Boost Bridgeless PFC	2	6	Lower	98.6%	Medium	1	1
Si Dual Boost Bridgeless PFC SR	2	6	Lower	98.9%	High	3	1
Si H Bridge PFC	1	6	High	98.6%	Medium	2	2
Si CrM Totem Pole Bridgeless PFC	2	6	Medium	98.9%	Highest	4	3
SiC CCM Totem Pole Semi-BL PFC	1	4	Highest	98.8%	Medium	2	2
SiC CCM Totem Pole bridgeless PFC	1	4	Highest	99.1%	High	3	3
GaN CCM Totem Pole Semi-BL PFC	1	4	Highest	98.8%	High	2	3
GaN CCM Totem Pole bridgeless PFC	1	4	Highest	99.2%	Highest	3	4
GaN CRM Totem Pole bridgeless PFC	2	6	Medium	99.1%	Highest	4	5

图 5：无桥 PFC 解决方案和技术的比较

如此前比较关键参数时，GaN 展示了最佳的开关性能，但随温度变化的 RDS(on) 要高得多，这会影响其功率输出能力，且较低的 Vth 使其变得难以驱动且容易被噪音影响。在效率方面，SiC 基 CCM 图腾柱 PFC 配置可以比 Si 基 H-桥拓扑具有更高的效率，且与 GaN 的效率类似。另一方面，更高的可靠性和工作温度及雪崩能力，使SiC成为高可靠性图腾柱 PFC 应用中更合适的选择。

尽管 Si 器件本身的成本最低，但在图腾柱配置中采用 SiC 比采用 GaN 要更具系统成本效益，正可谓以合理的价格点实现了卓越的性能。针对 3-kW 图腾柱 PFC 的五个等效 GaN 元件，对 Wolfspeed SiC C3M0060065J 进行了成本分析，结果发现，在比较电源开关、偏置电源、栅极驱动器和隔离、电流感应、PFC 扼流圈和冷却成本（散热器）时，一些 GaN 器件的成本可能比 SiC 器件成本高出 84% 之多。

CRD-02AD065N 是 Wolfspeed 2.2-kW 图腾柱 PFC 模块，它使用 C3M MOSFET 且达到 80plus 钛金标准（98.8% 峰值效率），并在满载条件下，保持总谐波失真小于 5%。Wolfspeed 网站上提供了设计文件和相关的培训材料。

用于 DC/DC 转换的元件和拓扑选择

另一种可以实现 80plus 钛金标准所需高效率的方法是 LLC 谐振转换器（如图 6 所示）。这种配置通常提供零电压开启、低电流关断（带来低开关损耗）、高频率开关、低电压过冲（使其对 EMI 友好）和控制灵活性。这使得 LLC 在效率和功率密度方面具有可比性。

Figure 6: Full-/half-bridge LLC resonant converter

关键参数比较将显示与 PFC 配置中所见类似的结果。SiC 具有与 GaN 相似的开关性能，在整个温度范围内具有更佳的 RDS(on)、更高的结温额定值和雪崩能力，是 LLC 中使用的功率器件的更可靠选择。

CRD06600DD065N 是 Wolfspeed 设计的 500-kHz LLC 转换器的一个示例，可在输出功率达到最大 6.6 kW 时实现 400 VDC 输出（闭环）或 390–440 VDC 输出（开环），峰值效率超过 98%。Wolfspeed 网站上提供了相关的原理图/PCB 文件，以帮助启动和指导设计人员完成此拓扑。

因此，对于 LLC 转换器来说，SiC 提供与 Si 相似的功率，但由于集成且更小的磁性元件，可实现更高的开关频率（参见图 7 的比较结果），使其更小型、更轻量。实验结果表明，Si 和 SiC MOSFET 并行运行时，SiC 部件（Wolfspeed 制造的 C3M0060065）由于 RDS(on) 随温度变化平稳、开关速度快、栅极驱动功率损耗低，因此具有更高的效率。在更高负载下，由于高传导损耗和较慢的开关速度，Si 部件会进入热失控状态。

Figure 7: Experimental results of Si vs. SiC in terms of efficiency and output power

当使用 SiC 与 GaN 进行类似测试时，结果表明它们在 LLC 转换器的初级侧具有相当的效率。

结论

总而言之，用于离线式 SMPS 系统的 80plus 钛金标准需要非常高的效率，SiC 可提供额外的鲁棒性因子，从而实现高可靠性应用。SiC 可提供超过 99% 的效率，在温度范围内 RDS(on) 具有的显著优势、更高的结温额定值、雪崩能力以及符合行业标准的占位面积，是图腾柱 PFC 和 LLC 转换器应用中使用的功率器件的最合适选择。

SiC 已成为一种成熟的技术，正在改变电源行业的许多应用，并且通过 Wolfspeed 发明的 SiC MOSFET，我们见证了 Wolfspeed SiC 功率产品超过 7 万亿小时的现场作业，以及完整的 SiC 元件/模块组合继续引领市场。

审核编辑：郭婷