Industrielle Stromversorgungen
In der heutigen Industrie sind Stromversorgungen mit Hochfrequenzfähigkeiten und geringeren Schaltverlusten ein wichtiger Trend, der zur Kostensenkung und Erhöhung der Leistungsdichte beiträgt. Fortschrittliche Topologien und neue Steuerungsstrategien sowie innovative Hochfrequenz-Magnetdesigns bieten kreative Lösungen in diesem Bereich. Halbleiter mit breiter Bandlücke sorgen für optimale Leistung im Zentrum dieser Designs.
Einige wichtige Stromversorgungsarchitekturen, die unter industrielle Stromversorgungen fallen, sind netzgekoppelte Umrichter, Solarwechselrichter, Induktionserwärmung, Traktions-/Motorantrieb und USV.
Einige andere wichtige Leistungsarchitekturen für industrielle Anwendungen
Wirkungsgrad von Industrieumrichtern - Leistungsfaktorkorrektur (PFC)
Der Leistungsfaktor (PF) ist eine dimensionslose Zahl im Bereich von -1 bis 1 und ist definiert als das Verhältnis von Wirkleistung zu Scheinleistung, die von der Last aufgenommen wird. Ein PF von 1 bedeutet, dass 100 % der Leistung von der Last absorbiert wird. PFC ist der Schlüssel zu einer deutlichen Reduzierung der Leistungsverschwendung durch Erhöhung des Leistungsfaktors eines Netzteils. Ohne PFC ziehen Netzteile den Strom in kurzen, starken Impulsen. Mit PFC werden diese Impulse geglättet, um den Effektivwert des Eingangsstroms und die Eingangsscheinleistung zu reduzieren. Auf diese Weise wird der Eingangsstrom so geformt, dass die Leistung des Netzteils maximiert wird.
PFC-Frontends und effizientere Halbleiterbauelemente sind erforderlich, um die ständig steigenden Effizienzstandards zu erfüllen. Die nachstehende Tabelle zeigt die Energy Star 80 Plus-Effizienzspezifikationen. Um dies zu erreichen, geht der Trend von einfachen Brückengleichrichtern mit einem sperrigen Kondensator zur Glättung der Welligkeit am Gleichstromausgang zur neueren Technik der Totem-Pol-Technologie, die das Netzteil in den Bereich von 90+ Prozent Effizienz bringt. Siehe Tabelle 1, rechts.
Wie können wir das erreichen? Wir entfernen die Standard-Diodenbrücke und ersetzen sie entweder durch eine halbbrückenlose Dual-Boost-Topologie oder eine Vollbrücken-Totem-Pole-Architektur mit hoher Frequenz, die durch SiC oder GaN ermöglicht wird und den Einsatz kleinerer und kostengünstigerer Umgebungskomponenten erlaubt. Siehe Abbildung 1, rechts.
Die höhere Frequenzfähigkeit von SiC-Leistungs-ICs ermöglicht kleinere und kostengünstigere externe Komponenten in der Stromversorgung.
Schauen wir uns auch eine GaN-basierte Totem-Pol-PFC-Lösung an. Das Beispiel in Abbildung 2 verwendet GaN-Bauelemente im Hochfrequenzzweig für eine verbesserte Effizienz und Si-MOSFETs im langsamer schaltenden zweiten Zweig. Je nach Effizienzanforderung können im zweiten Zweig entweder Dioden oder MOSFETs verwendet werden, um die Anforderungen an die Kosteneffizienz zu erfüllen.
Wir werden auch ein gutes EMI-Filterdesign zwischen dem Totem-Pol und der Wechselstromquelle untersuchen, um die EMI-Normen zu erfüllen. Der Filter wird das Rauschen der Hochgeschwindigkeitsschaltungen der BTP-PFC-Schaltungen (Bridgeless Totem Pole-Power Factor Correction) abschwächen. Siehe Abbildung 2, rechts.
GaN-HEMT-Leistungsbauelemente bieten die Systemvorteile einer hohen Leistungsdichte mit einem kompakten EMI-Filter und einer Drosselspule und verbessern gleichzeitig den Wirkungsgrad. GaN-Schaltungen können so konzipiert werden, dass sie bei hohen Frequenzen arbeiten, die EMI-Anforderungen erfüllen und eine hohe Leistungsdichte und einen hohen Wirkungsgrad erreichen.
Netzgekoppelte Umrichter
Netzgekoppelte Stromrichter steuern den Stromfluss zwischen den dreiphasigen Ausgängen des Stromversorgungsunternehmens und den verschiedenen Verbrauchern sowie den Energiespeichern und Stromerzeugungsgeräten. Die netzgekoppelte dreiphasige AC/DC- (oder DC/AC-) Energieumwandlung ist für eine Vielzahl industrieller Anwendungen erforderlich, einschließlich der leistungselektronischen Schnittstellen von Systemen für erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie und Batteriespeichern.
Für bidirektionale Leistungsanwendungen bieten zweistufige Topologien mit SiC-MOSFETs eine deutliche Verbesserung gegenüber Si-IGBTs. Die SiC-Leistungsbauelemente reduzieren die Schaltverluste im Vergleich zu 1200-V-IGBTs erheblich. SiC-Bauelemente erweitern auch den Schaltfrequenzbereich einer Architektur mit einem zweistufigen Wandler mit sechs Schaltern, der einen höheren Volllast- und Teillastwirkungsgrad aufweist. Siehe Abbildung 3, rechts.
Ein weiteres Beispiel dafür, wie SiC-MOSFETs dieses Design im Vergleich zu Si-IGBTs verbessern, ist die erhebliche Steigerung der Leistungsdichte des Systems aufgrund kleinerer Magnete und eines kleineren oder gar keinen Kühlkörpers. Ein weiterer Vorteil eines SiC-MOSFET-Designs ist, dass die Body-Diode des Bauelements (siehe Abbildung 1) als antiparallele Diode verwendet werden kann, was die Kosten und die Komplexität der Schaltung reduziert.
Hinweis: Der SiC-MOSFET kann nur positiven Strom leiten (n-Kanal-MOSFET, von Drain zu Source). Wenn die Last induktiv ist, gibt es Zeiten, in denen der Schalter (MOSFET) eingeschaltet sein muss, der Strom aber in die entgegengesetzte Richtung fließt. Die Diode gibt diesem Strom einen Weg zum Fließen. Wenn die Diode nicht verwendet wird, hört der induktive Strom sofort auf und erzeugt hohe Spannungsspitzen.
Netzgekoppelte Umrichter
Die Vorteile dieser Art von Topologie, bei der WBG-Geräte zum Einsatz kommen, sind:
- Geringerer Gesamtenergieverbrauch
- Höhere Effizienz
- Verbesserte thermische Leistung
- Verringerung der Größe und des Gewichts des Netzteils
DC-AC-Wechselrichter
Zu den gängigen Implementierungen von DC-AC-Wechselrichtern gehören ein- und dreiphasige Wechselrichterstufen für AC-Motorantriebe (Abbildung 5, rechts) und Solar-Wechselrichter (Abbildung 6, rechts).
Anwendungen wie Solarwechselrichter und AC-Motorantriebe profitieren in hohem Maße von der Verwendung von WBG-Halbleitern.
Die Vorteile der WBG-Leistung bei diesem Entwurf sind:
- Geringere Schaltkreiskomplexität
- Hohe Effizienz und Leistungsdichte
- Verbesserte thermische Leistung
- Fähigkeit zum bidirektionalen Energiefluss (Batterie-zu-Netz)
IT-Stromversorgungen verwenden SiC
Rechenzentren verbrauchen zwischen 2 und 4 % der gesamten elektrischen Energie in den Vereinigten Staaten. Das bedeutet, dass IT-Stromversorgungen (oder Server-Stromversorgungen) einen großen Unterschied bei der Effizienz und den Betriebskosten ausmachen werden.
Rechenzentren verbrauchen viel Strom, und kleine Effizienzsteigerungen in Prozent führen zu großen Einsparungen. Die Kühlung eines Rechenzentrums kann bis zu 40 % der Stromrechnung ausmachen. Die Entwickler von Stromversorgungen integrieren SiC-Dioden und MOSFETs und erzielen damit hervorragende Ergebnisse. SiC-Komponenten ermöglichen einen Spitzenwirkungsgrad von mehr als 98,5 %, was die Wärmeentwicklung drastisch reduziert.
Wenn Rechenzentren SiC-MOSFETs und Dioden oder GaN-Bauelemente in ihren Stromversorgungsdesigns mit PFC einsetzen, verbessert sich die thermische Leistung der Server so stark, dass allein bei der Kühlung 40 % der Energiekosten eingespart werden können. Gleichzeitig sinken die Betriebskosten, und die Schaltfrequenz steigt auf einen Spitzenwirkungsgrad von mehr als 98,5 %, um einen 80+ Titanium Standard zu erreichen. Im Zeitraum von 2010 bis 2020 werden Server mit SiC-Bauelementen 620 Milliarden kWh an Energieeinsparungen gebracht haben.
Haushaltsgeräte müssen strenge Energy-Star-Bewertungen erfüllen
Nehmen wir einen Kühlschrank, den wir durch ein Gerät älterer Technologie ersetzen, um die Energy-Star-Bewertung zu erreichen. Auf diese Weise können die Verbraucher während der 12-jährigen Lebensdauer des Geräts über 200 Dollar sparen.
Der Einsatz von GaN- und SiC-Leistungsbauelementen in einem BTP-PFC-Netzteil ermöglicht einen Wirkungsgrad von über 95 % bei einem Verlust von 5 % an Verlust- und Abwärme. GaN und SiC können den Wirkungsgrad um mehr als 1 % über diesen 5 % Verlust hinaus steigern. Eine Verbesserung des Wirkungsgrads um 1 % entspricht einer Verringerung der Wärmeabgabe um 10 %. Dies führt zu kleineren Kühlkörpern, Magneten und Kondensatoren bei geringerer Stellfläche auf der Leiterplatte.
Wolfspeed verfügt über die branchenweit niedrigsten Durchlasswiderstände in einem diskreten Gehäuse über den Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +175 °C. Die 60 mΩ SiC-MOSFETs sind für einen RDS(on) von 79 mΩ bei 175 °C spezifiziert, was nur dem 1,3-fachen Wert bei 25 °C entspricht.
Tabelle 1: Spezifikationen für den Wirkungsgrad 80 PLUS
Abbildung 1: Die linke Abbildung zeigt einen halbbrückenlosen Dual-Boost-PFC mit Si-Leistungs-ICs; die rechte Abbildung zeigt einen hybriden Totempol-PFC mit SiC-Leistungsbauelementen (Bild von Wolfspeed)
Abbildung 2: Eine typische BTP-PFC-Schaltung mit EMI-Filter (Bild von GaN Systems)
Abbildung 3: Eine zweistufige Wandlerendstufe mit SiC-MOSFETs (Bild von Wolfspeed)
Abbildung 4: Ein industrieller AC/DC mit PFC, gefolgt von einem DC/DC-Stromrichter (Bild von Wolfspeed)
Abbildung 5: 3-Phasen-Wechselrichterstufe für AC-Motorantrieb
Abbildung 6: Solarwechselrichter
Vorteile von WBG Power Devices gegenüber Si
Herkömmliche leistungselektronische Wandler mit Leistungsbauelementen auf Si-Basis werden die steigenden Anforderungen an Wirkungsgrad, Regelbandbreite, Leistungsdichte und Schaltfrequenz nicht erfüllen können.
Höhere Schaltfrequenzen, die zu kleineren Magneten und höheren Betriebstemperaturen führen, sind vor allem bei rauen industriellen Anwendungen von Vorteil.
Wenn wir Si mit GaN und SiC vergleichen, stellen wir einige besondere Eigenschaften fest, die es diesen Bauelementen ermöglichen, mit geringeren Leckströmen und höheren Spannungen zu arbeiten. Es ist eine Tatsache, dass eine höhere Betriebsfrequenz durch eine Erhöhung der Elektronenbeweglichkeit und der Sättigungsgeschwindigkeit der Elektronen erreicht werden kann. Im Vergleich zu Si-Bauelementen haben WBG-Halbleiter eine niedrigere intrinsische Ladungsträgerkonzentration (10-35 Größenordnungen), eine höhere Wärmeleitfähigkeit (3-13 mal), ein höheres elektrisches Durchbruchsfeld (4-20 mal) und eine größere Sättigungsgeschwindigkeit (2-2,5 mal).
SiC hat auch eine höhere Elektronenbeweglichkeit als Si und GaN weist eine höhere Elektronenbeweglichkeit als Si und SiC auf. Das bedeutet, dass GaN die beste Leistung bei sehr hohen Frequenzen liefert. Es wird vorhergesagt, dass der Gesamtpreisabstand zwischen SiC/GaN und Si immer weiter abnehmen wird. Es wird auch prognostiziert, dass GaN bei Anwendungen mit höchsten Schaltfrequenzen im Vergleich zu SiC und sogar Si hinsichtlich der zusätzlichen Kosten ein besseres Ergebnis erzielen wird.
Betrachten wir die Wärmeleitfähigkeit, die einen weiteren entscheidenden Faktor darstellt: Je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto effizienter sind die Wärmeleiteigenschaften. SiC weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als GaN oder Si auf; daher können SiC-Bauteile theoretisch mit höheren Leistungsdichten als GaN- und Si-Bauteile betrieben werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die höhere Wärmeleitfähigkeit, die breitere Bandlücke und das höhere Durchbruchsfeld SiC-Halbleitern bei Hochleistungsanwendungen einen Vorteil gegenüber anderen Halbleiterbauelementen verschaffen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diskrete SiC- und GaN-Bauelemente zu Modulen mit höherem Gehalt führen, die die Kosten senken, die Größe verringern und die Leistung verbessern. WBG-Bauelemente haben erhebliche Fortschritte bei der Ersetzung von Si gemacht und bieten die Vorteile geringerer Schaltverluste, geringerer Kühlvolumen und reduzierter Kosten für thermische Lösungen.
