碳化硅（SiC）技術改進了各種應用中的多個系統和子系統組件。與硅相比，碳化硅通過更快的開關、在整個溫度范圍內的平坦RDS（on）和更好的體二極管性能表現出更好的功率密度和效率。

本文將探討Wolfspeed的SiC組件如何使離線式SMPS系統在效率、功率密度和整體系統成本方面表現出色，尤其是與硅和氮化鎵器件相比。

SMPS趨勢及硅、碳化硅和氮化鎵的比較

離線式SMPS通常是ACDC電源系統，例如數據中心，電信基站和電力挖掘系統。數據中心消耗了所有發電量的10%左右，如果實施SiC僅節省1%的能源，則相當于三座核電站（每座核電站的運行功率為1吉瓦）。

與行業標準的第1代數據中心電源架構相比，第2代從交流輸入中移除了不間斷電源和配電單元，將直流母線從12 V更改為48 V，并在直流母線（48 V）上增加了電池備份系統。由于這些變化，整體系統效率提高到85%，節省了相當于27座核電站的能源。

包含OCP2.3或HE電信整流器的第二代數據中心的典型規格如下：

輸入電壓范圍：180-305 VAC

輸出功率：3，000 W

輸出電壓：48 V

效率：峰值為97.5%，96%至5%負載時為30.100%

保持時間：20 ms

工作溫度范圍：0°C至55°C

效率會因負載百分比而異，但一般來說，功率因數校正（PFC）需要99%以上的效率，DC/DC轉換器系統需要超過98.5%的效率。為了滿足這些高效率和功率密度的新要求，電源設計人員必須密切關注拓撲和功率組件。這可以通過比較包括硅、碳化硅和硅基氮化鎵在內的技術來完成。

在比較Si或SiC MOSFET與GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）之間的物理差異時，可以在圖1中觀察到GaN HEMT的橫向結構需要增加其尺寸以適應更高的功率和不同形式的電流，而硅的結構是垂直的。作為類比，這就像將向上推動電流的垂直“軟管”與水平流動電流的“雨水溝”進行比較。

此外，GaN HEMT在過壓條件下不會雪崩，這可能導致災難性故障。它們的短路能力也非常差（幾百納秒），它們的晶格熱膨脹系數不匹配會導致缺陷。

在分析RDS（on）相對于溫度的行為時，可以看到SiC優于其他技術。此外，大多數數據手冊都標明RDS（on）在室溫（25°C）下，但設計人員必須規劃實際結溫可能在120°C至140°C之間變化。值得注意的是，RDS（on）與I2R損耗（傳導損耗）相關，這意味著SiC的60 mΩ額定值相當于Si和GaN的40 mΩ。

為了更量化地了解SiC與Si和GaN-on-Si的比較，展示了在采用SiC元件時溫度特性、電壓和尺寸/封裝如何改善。

這些技術之間還可以比較其他幾個參數，例如Vgs、結溫Tj、RDS（on）、電容和開關期間的恢復。雖然SiC并非在每個類別中都勝出，但它確實在大多數類別中都大放異彩。在溫度方面，SiC具有最高的Tj，max，這導致更好的整體魯棒性，但并沒有最低的熱結電阻（Rth）。然而，在大多數工作溫度下，SiC的RDS（on）是最低的，這意味著更低的損耗和更高的效率，允許最大的功率傳輸。由于GaN沒有雪崩能力，SiC的單脈沖雪崩能量為其提供了更好的魯棒性和保護性。更重要的是，更高的Vgs，th可以提高抗噪性并且更容易駕駛。在開關性能方面，GaN可以提供最低的Qrr和電容，但SiC緊隨其后。這一點很重要，因為它關系到開關損耗和效率。一般來說，Si易于驅動，但無法與開關性能和損耗競爭。GaN在開關性能方面大放異彩，但缺乏魯棒性，SiC提供了一種全面的穩健效率解決方案，具有出色的熱性能和最小的損耗。

PFC拓撲和組件選擇

傳統上，PFC技術需要帶有LC元件的橋式整流器，因此配置簡單，但體積龐大且笨重。當今的工業采用有源升壓PFC拓撲結構，其中包括整流器和升壓元件。這種配置很受歡迎，并以合理的成本提供足夠的性能，但要達到最新的效率標準。業界目前正在發展使用無橋圖騰柱PFC設計，以降低損耗并提高功率密度。這就是SiC MOSFET可以大大提高效率并滿足未來設計人員需求的地方。

總而言之，用于離線SMPS系統的80plus鈦金需要非常高的效率，而SiC提供了額外的魯棒性因素，從而實現了高可靠性應用。SiC可提供超過99%的效率，在整個溫度范圍內具有明顯的RDS（on）優勢、更高的結溫額定值、雪崩能力以及行業標準占位面積，使其成為圖騰柱PFC和LLC轉換器應用中使用的功率器件的最佳選擇。

　　審核編輯：湯梓紅