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采用新型 C3M 650V MOSFET 节省 BOM 物料清单成本

admin
2020-06-09
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标签:MOSFET

美国电力消耗预计将从 2020 年的 4 万亿千瓦时增长到 2050 年的约 5.5 万亿千瓦时。 [i]美国乃至全球范围的电力消耗日益增长,部分归因于包括电动汽车在内的交通运输电气化,以及全球数据计算资源的增加。像依靠越来越多服务器集群的物联网 (IoT),就拥有着数十亿台个人计算设备和互联设备。

所有应用市场,特别是电动汽车和数据计算领域,都将从降低功率消耗成本和减少占用空间中受益,以更低的成本提供相同或更多功能,从而富有竞争力并可持续地满足市场需求。

为了在电动汽车市场取得成功,公司需要提高续航里程并降低物料清单 (BOM) 成本,才能有效地与传统内燃机 (ICE) 竞争。为了实现更长距离的续航里程,制造商需要更高容量的电池系统,这可以通过增加电池尺寸或提高功率效率来实现。然而,如果增加电池尺寸,将同时增加车辆重量,从而增加功率消耗。但如果在相同尺寸电池实现更高功率以及更少元件总数量,则可以实现更优异的功率效率,从而可以减轻重量、节省功率,并且最重要的是可以减少用户“里程焦虑”。

另一方面,在信息技术领域,数据中心的电源、散热和占地房产成本均大大超过初始硬件成本。新的能源效率标准(例如 80+ Titanium)旨在通过提高系统效率来降低这些成本。但由于在更复杂的拓扑结构中采用了额外的元件,如果不抬升 BOM 成本则难以实现。

采用碳化硅,节约成本,提高效率

这些考量因素催生了碳化硅 (SiC) 解决方案。碳化硅是一种已广泛应用于电动汽车充电机以及服务器和电信设备电源中的半导体技术。与硅(Si)相比,碳化硅的优势在于它非常适合在尺寸受限的应用中实现更高功率密度的设计。

碳化硅具有高功率效率和高热传导性,非常适合高功率密度应用。基于碳化硅的设计更轻巧,因为它们可以更好地处理散热并在更高的环境温度下正常工作,无需过于体积庞大的热管理解决方案。它们还可以实现更高的开关频率,可采用更小、更轻的磁性元件和其他被动元件。

推出 Wolfspeed 第三代 650V 碳化硅 MOSFET

Wolfspeed 先前推出了第六代肖特基二极管,实现更高水平的系统效率,从而确立了其在 650V 碳化硅领域的技术领先地位。Wolfspeed 这次推出了第三代 15-mΩ 和 60-mΩ(25°C 条件下的导通电阻RDS(on))650V MOSFET 以继续保持领先地位。新款产品进一步利用了碳化硅的优势,可降低开关损耗,提高功率效率和功率密度。

新款器件 C3M0015065D、C3M0015065K、C3M0060065D、C3M0060065J 和 C3M0060065K 符合在–40°C 至 175°C 温度范围内运行的要求,并提供通孔型(TO-247-3、TO-247-4)和表面贴装(TO-263-7)封装。

降低损耗的一个关键参数是低导通电阻。Wolfspeed 新型 MOSFET 采用分立封装,在整个工作温度范围内,提供业内最低的导通电阻。其中 60-mΩ MOSFET 的额定 RDS(on) 在 175°C 时仅为 80 mΩ。

新款器件同时拥有超低反向恢复电荷(Qrr),其中60-mΩ MOSFET 的反向恢复电荷 (Qrr) 仅为 62 nC。这将实现更高的开关频率,从而减小系统中的变压器、电感器、电容器和其他被动元件的尺寸和重量。

为了减少寄生电容增加开关频率也会增加开关损耗的担忧,Wolfspeed 实现了低很多的器件寄生电容,其中 60-mΩ 型号的小信号输出电容 Coss 仅为 80 pF,而 15-mΩ 型号的仅为 289 pF。

器件型号的差异在于表 1 所示它们的导通电阻 RDS(on), 连续漏极电流 ID, 以及封装。

表 1: 新型 C3M 650V MOSFET 主要规格

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推动 BOM 物料清单成本降低

新型 650V 碳化硅器件以多种方式帮助降低成本。与基于硅的 650V MOSFET 相比,Wolfspeed 器件的导通损耗降低 50%,开关损耗降低 75%,功率密度提高了3倍,不仅可以帮助实现更高效率来节省成本,还可以降低磁性元件和散热装置的 BOM 物料清单成本。

例如,电动汽车 (EV) 6.6 kW 双向车载充电机 (OBC) 的典型AC/DC部分包括四个 650V IGBT,几个二极管和一个 700µH L1 电感器,占超过 70% 的 BOM 物料清单成本。如果该设计采用四个 650V 碳化硅 MOSFET ,则仅需一个 230 µH L1电感器。与基于 IGBT 的设计相比,这将使得 BOM 成本降低近 18%。

由于磁性元件的成本大大降低,因此在 车载充电机 (OBC) 的DC/DC部分中可以发现类似的节约。

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图1:总体系统 BOM 物料清单成本对比,展示Wolfspeed 碳化硅 MOSFET 充电机解决方案带来15%节约

在该应用中,采用Wolfspeed 器件,典型总体BOM 物料清单成本能够降低约 15%,同时峰值系统效率达到 97%,而基于硅的系统则仅为 94% (图1).

采用参考设计,加快产品面世速度

Wolfspeed 为器件产品提供广泛的支持,其中包括参考设计。新款 MOSFET 也不例外。对于上面所讨论的 车载充电机 (OBC) 应用,公司的全球应用工程团队开发了 6.6 kW 双向设计,其直流母线为 380 V 至425 V,电池端输出为 250 V 至 450 V。

AC/DC 端采用高效率且具性价比的图腾柱拓扑,而这是硅基方案在不权衡妥协其复杂性和元件数量的前提下所无法实现的。同时,DC/DC 端将开关频率提高到 150kHz 至 300kHz 的范围 — 这比硅基方案快 3 倍。

点击此处 [链接至 650V 产品系列页面] ,进一步了解新款 C3M 650V 碳化硅 MOSFET 和参考设计。

[i] 美国能源信息管理局,年度能源展望2020.

产品和参考设计方案

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