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。
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输入电压范围：180-305 vac
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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。
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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
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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。
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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
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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。
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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。
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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
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结论
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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。
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