Схема коррекции коэффициента мощности (ККМ) на основе так называемого «тотемного столба» (Totem Pole) обладает минимально возможными потерями и потенциально может обеспечить самые жесткие требования к энергоэффективности источников питания. Компания Wolfspeed представляет референсную разработку – плату ККМ CRD-02AD065N на базе собственных карбид-кремниевых MOSFET и диодов с наилучшими в отрасли характеристиками.
Глобальный экологический кризис заставляет увеличивать энергетическую эффективность всех без исключения потребителей энергии. Поскольку потери при преобразовании электрической энергии неизбежны, увеличение КПД преобразователей всех типов автоматически попадает под категорию «энергосберегающая технология», а значит, требования к этому параметру источников питания будут ужесточаться.
Примером тому является стандарт 80 PLUS (таблица 1), первая версия которого была разработана еще в 2004 году в рамках программы по развитию энергоэффективности компьютерных блоков питания. За 16 лет этот стандарт несколько раз пересматривался, и последняя его версия – 80 PLUS Titanium – определяет весьма жесткие требования к КПД этих устройств, причем особое внимание уделяется работе в режиме легких нагрузок.
Таблица 1. Требования стандарта 80 PLUS к компьютерным блокам питания, предназначенным для работы от сети с напряжением 230 В
| Стандарт | Минимальный КПД при нагрузке | Минимальный коэффициент мощности | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 10% | 20% | 50% | 100% | ||
| 80 PLUS | 80% | 80% | 80% | 0,8 при нагрузке 100% | |
| 80 PLUS Bronze | 81% | 85% | 81% | 0,9 при нагрузке 50% | |
| 80 PLUS Silver | 85% | 89% | 85% | 0,9 при нагрузке 50% | |
| 80 PLUS Gold | 88% | 92% | 88% | 0,9 при нагрузке 50% | |
| 80 PLUS Platinum | 90% | 94% | 91% | 0,94 при нагрузке 50% | |
| 80 PLUS Titanium | 90% | 94% | 96% | 91% | 0,95 при нагрузке 50% |
Другим распространенным стандартом энергоэффективности широкого спектра потребительских товаров и систем является Energy Star, впервые принятый в США в 1992 году. На сегодняшний день его поддерживают большинство развитых стран, в том числе страны Евросоюза. Этот стандарт также неоднократно пересматривался, и с каждой новой версией требования к КПД становились все жестче (рисунок 1).
Рис. 1. Требования стандарта Energy Star к КПД блоков питания серверов
Вторым параметром, определяющим уровень энергетической эффективности сетевых источников питания, является коэффициент мощности (Power Factor PF). Специфика преобразования переменного напряжения в постоянное приводит к искажениям формы потребляемого тока, из-за чего в нем кроме основной появляются дополнительные гармоники более старшего порядка и высокочастотные компоненты. Не участвуя в процессе энергопотребления (основное потребление энергии происходит на частоте сети), они создают дополнительную нагрузку, приводящую к увеличению потерь при генерации и передаче электрической энергии.
Допустимый уровень искажений для устройств с потребляемым током 16 А определяется международным стандартом IEC 61000-3-2, принятым во многих странах, в том числе в России (ГОСТ IEC 61000-3-2-2017). В этом стандарте определены максимальные значения уровней высокочастотных составляющих вплоть до 40-й гармоники, на основании которых можно определить коэффициент нелинейных искажений входного тока (Total Harmonic Distortion THD).
Однако в системах электропитания вместо коэффициента нелинейных искажений удобнее использовать коэффициент мощности, показывающий, какая часть общей нагрузки, создаваемой устройством на сеть (полной мощности – S), является полезной (активной мощностью – P).
Таким образом, уровень энергоэффективности любого выпрямительного устройства определяется двумя ключевыми параметрами: КПД и коэффициентом мощности. Однако если требования первых версий стандартов, например, 80 PLUS, можно было обеспечить без особых технических проблем, то его последние версии уже находятся на пределе технической реализуемости и требуют использования последних достижений в области силовой электроники. Именно о таких решениях, предлагаемых компанией Wolfspeed – подразделением одного из ведущих мировых производителей электронных компонентов, компании CREE – и пойдет речь в статье.
Особенности схемотехники корректоров коэффициента мощности
Входной выпрямитель сетевых источников питания с бестрансформаторным входом обычно состоит из диодного моста, работающего на сглаживающий фильтр, образованный конденсатором большой емкости (рисунок 2). Такая схема является наиболее простой и дешевой, однако она имеет ярко выраженный нелинейный характер входного тока, связанный с тем, что пополнение энергии в фильтре может происходить только в моменты, когда абсолютное значение входного напряжения превышает напряжение на конденсаторе. Типовой коэффициент мощности такого узла зависит от уровня нагрузки блока питания и находится в пределах 0,65…0,67, что не соответствует ни одной из версий современных стандартов по энергосбережению.
Рис. 2. Схема входного выпрямителя без ККМ
Для улучшения ситуации последовательно с диодами включают индуктивность достаточно большой емкости, которая, с одной стороны, увеличивает время заряда конденсатора, а с другой – уменьшает амплитуду входного тока, что положительным образом сказывается на величине коэффициента мощности. Теоретически такой фильтр нижних частот способен полностью подавить высокочастотные гармоники входного тока и обеспечить коэффициент мощности блока питания вплоть до 1, однако при этом масса и габариты дросселя, работающего на частоте сети, будут больше остальной части блока питания. На практике коэффициент мощности большинства компьютерных блоков питания с пассивным корректором коэффициента мощности (ККМ) находится в пределах 0,8…0,85, что отвечает лишь первым версиям стандарта 80 PLUS.
Для достижения более высоких значений коэффициента мощности при сохранении приемлемых массогабаритных показателей необходимо использовать методы высокочастотного импульсного преобразования энергии, то есть вводить в сетевой источник питания дополнительный узел – активный ККМ, обеспечивающий синусоидальную форму потребляемого тока. Проще всего сделать это, установив между диодным мостом и сглаживающим фильтром повышающий преобразователь (рисунок 3).
Рис. 3. Схема входного выпрямителя с активным ККМ
Такое решение является достаточно простым и часто используется на практике. Однако наличие дополнительного звена преобразования электрической энергии приводит и к дополнительным потерям электрической энергии. На практике КПД блоков питания с активным корректором коэффициента мощности на основе повышающего преобразователя даже при использовании самой современной элементной базы редко превышает 90%, что уже не удовлетворяет современным стандартам энергосбережения.
Хорошим выходом из этой ситуации является исключение диодного моста, вносящего весомый клад в общий уровень потерь блока питания. В этом случае корректор коэффициента мощности состоит из двух повышающих преобразователей, каждый из которых работает в течение своего полупериода напряжения сети (рисунок 4). Входной ток при этом протекает через антипараллельный диод транзистора, не работающего в данном полупериоде, и может быть перенаправлен через его канал, что дополнительно уменьшит потери.
Рис. 4. Схема безмостового ККМ с двумя повышающими преобразователями
Другим вариантом безмостового ККМ является схема, получившая в англоязычной литературе название схема с «тотемным столбом» или просто «тотемный ККМ» (рисунок 5). Термин «тотемный столб» (Totem Pole) появился из-за того, что на принципиальных схемах два транзистора обычно рисуют один над другим, что приводит к возникновению данной ассоциации. Она содержит одинаковое количество силовых элементов, имеет приблизительно такие же характеристики, что и базовая схема с двумя повышающими преобразователями (рисунок 4), и отличается от нее лишь алгоритмами управления силовыми транзисторами.
Рис. 5. Схема ККМ на основе «тотемного столба»
Поскольку падение напряжения на открытом канале полевого транзистора может быть меньше, чем на диоде, то очевидным решением для увеличения КПД активных ККМ является шунтирование диодов полевыми транзисторами (рисунок 6). Данная схема обладает минимально возможными потерями и потенциально может обеспечить самые жесткие требования к энергоэффективности источников питания. Однако наличие четырех транзисторов с соответствующими схемами управления существенно увеличивает стоимость такого решения.
Рис. 6. Схема мостового ККМ на основе «тотемного столба»
Основным недостатком рассмотренных выше схем активных ККМ является достаточно высокий уровень электромагнитных помех, связанный с плавающим потенциалом одного из выводов дросселя, из-за чего наличие даже небольшой паразитной емкости приводит к увеличению уровня синфазных помех. Этот недостаток можно устранить путем введением дополнительных силовых компонентов (рисунок 7), однако это приводит к ухудшению КПД и увеличению размеров и стоимости этого узла.
Рис. 7. Схема ККМ с низким уровнем электромагнитных помех
аким образом, выбор схемы ККМ как обычно является результатом компромисса между размерами, стоимостью и эффективностью конечного решения. На сегодняшний день в арсенале разработчиков присутствует достаточно большое количество инструментов для принятия подобных решений.
Одним из таких инструментов является бесплатный онлайн симулятор SpeedFit, разработанный на основе популярной веб-платформы PLECS (Piecewise Linear Electrical Circuit Simulation), созданной компанией Plexim. Симулятор SpeedFit имеет интуитивно понятный интерфейс и позволяет за считанные секунды определить параметры наиболее распространенных схем ККМ, в том числе рассчитать формы напряжений и токов в силовой части, определить уровень статических и динамических потерь, а также максимальную температуру кристаллов в конкретных условиях эксплуатации (рисунок 8). Ключевой особенностью симулятора SpeedFit является наличие математических моделей для большинства карбид-кремниевых приборов, производимых Woolfspeed, что позволяет максимально эффективно использовать продукты этой компании.
Рис. 8. Пример моделирования мостового ККМ в симуляторе SpeedFit
Особенности высоковольтных силовых транзисторов
Из анализа схемотехники современных ККМ видно, что для обеспечения требуемых уровней КПД необходимо использовать импульсные методы преобразования, однако при этом в силовых полупроводниковых компонентах возникают потери, напрямую зависящие от типа полупроводника. До недавнего времени основным материалом для изготовления силовых транзисторов и диодов был кремний (Si), однако из-за малой ширины запрещенной зоны он плохо подходит для использования в ККМ.
Альтернативой кремнию являются нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC). Оба этих полупроводниковых материала имеют более широкую запрещенную зону, а значит, лучше подходят для создания высоковольтных приборов. Ключевым преимуществом транзисторов на основе нитрида галлия является высокая скорость переключения, позволяющая значительно снизить динамические потери. На сегодняшний день частота переключений нитрид-галлиевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (High-Electron-Mobility Transistor, HEMT) может достигать нескольких мегагерц, что позволяет значительно увеличить удельную мощность источников питания.
Однако кроме динамических потерь в силовых транзисторах существуют еще и потери проводимости (статические потери). По этому параметру нитрид-галлиевые транзисторы мало чем отличаются от кремниевых. При повышении температуры сопротивления каналов кремниевых и нитрид галлиевых полевых транзисторов, а следовательно, и уровень статических потерь, увеличиваются более чем в 2,5 раза (рисунок 9), что является серьезным ограничением для практического применения этих типов полупроводников. А вот сопротивление канала карбид-кремниевых приборов при повышении температуры увеличивается намного меньше, что позволяет эффективно использовать их при более высоких температурах кристаллов.
Рис. 9. Температурные зависимости относительного сопротивления открытого канала MOSFET, изготовленных из различных полупроводниковых материалов
Следует отметить, что карбид-кремниевые приборы могут работать при температурах кристаллов, достигающих 600°C. Однако существующие технологии изготовления корпусов не позволяют полностью использовать этот потенциал, что заставляет искусственно ограничивать их рабочую температуру на уровне 150…175°C. Кроме того, карбид кремния имеет хорошую теплопроводность, что является одной из причин изготовления нитрид-галлиевых транзисторов на подложках из кремния.
Таким образом, область применения нитрида галлия пока ограничивается маломощными высокочастотными приложениями (рисунок 10). Этот материал наилучшим образом подходит для работающих в гигагерцовом диапазоне устройств, мощность которых не превышает 50 Вт, а напряжение питания – 50 В. Именно в этом диапазоне преобразователи на основе нитрид-галлиевых транзисторов будут иметь наилучшее сочетание массогабаритных, энергетических и стоимостных характеристик.
Рис. 10. Области применения полупроводниковых материалов
По мере уменьшения частоты коммутации технические характеристики нитрид-галлиевых транзисторов становятся соизмеримыми с кремниевыми приборами. Однако кремниевые приборы намного дешевле нитрид-галлиевых, поэтому при низких напряжениях и низких частотах кремниевые транзисторы пока оптимальны.
При увеличении рабочих напряжений характеристики нитрид-галлиевых приборов ухудшаются, и области средних напряжений (400…650 В) становятся соизмеримыми с характеристиками приборов из карбида кремния. При низких частотах коммутации кремниевые MOSFET и IGBT пока доминируют, в основном из-за низкой цены, но в области высоких напряжений и высоких частот аналогов карбиду кремния нет.
Наибольший интерес представляет центральная область рисунка 10, где можно использовать транзисторы, изготовленные из всех материалов. При относительно низких частотах, опять же – из-за цены, предпочтение отдается кремниевым MOSFET с суперпереходом (технология super-junction). Однако по мере увеличения частоты кремниевые транзисторы уже не могут обеспечить приемлемого значения КПД, поэтому разработчику приходится выбирать между нитридом галлия и карбидом кремния.
В этом случае определяющим критерием становится сбалансированное значение основных показателей преобразователя: КПД, размеров и стоимости. И здесь карбид-кремниевые MOSFET доминируют над нитрид-галлиевыми HEMT. Результаты расчета ККМ с входным напряжением 230 В, выходным – 400 В и максимальной мощностью 2 кВт, выполненные в симуляторе PLECS, показывают, что при использовании карбид-кремниевых транзисторов можно достичь больших значений КПД, чем при использовании нитрид-галлиевых приборов (таблица 2). И это при том, что рабочая частота ККМ была специально увеличена с типового значения 70 кГц до 200 кГц и находилась в области, где схемы на основе нитрид-галлиевых транзисторов должны иметь лучшие характеристики, чем при использовании карбида кремния.
Таблица 2. Результаты расчета характеристик ККМ при использовании транзисторов, изготовленных из различных полупроводниковых материалов
| Транзисторы | SiC 650 В 30 А | GaN 650V 30A |
|---|---|---|
| Сопротивление канала (при 25⁰С) | 60 мОм | 50 мОм |
| КПД (при мощности 2 кВт и частоте переключений 200 кГц) | 98,93% | 98,61% |
| Статические потери | 9,34 Вт | 11,12 Вт |
| Динамические потери | 11,96 Вт | 16,76 Вт |
| Относительная стоимость | 1 | 1,35 |
Немаловажную роль в значение результирующего КПД преобразователя вносят паразитные антипараллельные диоды MOSFET. Особенно актуально это для тотемных схем, поскольку при включении транзистора из-за конечного времени восстановления диода оппозитного плеча возникают сквозные токи, приводящие к дополнительному разогреву кристаллов. В этом случае карбид-кремниевые MOSFET имеют значительное преимущество перед кремниевыми аналогами, поскольку время восстановления их паразитного диода намного меньше (рисунок 11).
Рис. 11. Сравнение времени восстановление паразитного антипараллельного диода кремниевых и карбид-кремниевых MOSFET
Таким образом, ККМ на основе карбид-кремниевых транзисторов оказываются более дешевыми и энергоэффективными, чем аналогичные схемы на основе транзисторов из нитрида галлия. Особенно заметно это при работе ККМ в области средних частот.
Следует отметить, что хорошие динамические характеристики карбид-кремниевых транзисторов позволяют увеличить частоту преобразования ККМ и, как следствие, повысить его удельную мощность. Однако такое решение может негативно сказаться на общем КПД, поскольку с ростом частоты, с одной стороны, уменьшаются потери в обмотках дросселя, а с другой – увеличиваются потери в его сердечнике (рисунок 12). Поэтому оптимальная рабочая частота для большинства недорогих магнитных материалов, используемых в дросселях, находится в диапазоне 60…100 кГц – в области, где карбид-кремниевые транзисторы имеют меньшую стоимость чем нитрид-галлиевые при приблизительно одинаковых остальных технических характеристиках.
Рис. 12. Влияние частоты переключений на характеристики ККМ
Особенности карбид-кремниевых диодов
Наилучшие характеристики среди приборов с односторонней проводимостью имеют диоды на основе барьера Шоттки. Однако кремниевые диоды Шоттки с максимальным напряжением выше 200 В из-за худших, чем у диодов с p-n переходом, характеристик практически не производятся.
Ширина запрещенной зоны карбида кремния приблизительно в 10 раз больше чем у кремния, что позволяет повысить рабочее напряжение диодов Шоттки почти на порядок. Очевидно, что и статические, и динамические характеристики карбид-кремниевых диодов Шоттки c напряжением свыше 200 В должны быть намного лучше, чем у кремниевых диодов с p-n-переходом. Это обусловлено и в два раза меньшим падением напряжения на выпрямляющем переходе, и отсутствием неосновных носителей заряда в активной области кристалла. К сожалению, реальные карбид-кремниевые диоды все же имеют некоторое время восстановления из-за наличия паразитной емкости между электродами. Тем не менее, это время намного меньше времени восстановления лучших высоковольтных кремниевых диодов. Кроме того, оно практически не зависит от температуры кристалла (рисунок 13).
Рис. 13. Диаграммы токов при выключении кремниевых и карбид-кремниевых диодов
На сегодняшний день компания Wolfspeed выпускает карбид-кремниевые диоды, изготовляемые на основе технологии объединенной структуры с p-i-n-диодами (Merged p-i-n Schottky MPS). Особенностью этих приборов является наличие специальным образом модифицированных областей с дырочной проводимостью («p+ карманов»), образующих с остальными областями кристалла p-i-n-диоды (рисунок 14). Это позволяет увеличить устойчивость диодов к перегрузкам по току и обеспечить меньшую величину прямого падения напряжения.
Рис. 14. Структура карбид-кремниевого диода, изготовленного по технологии MPS
На сегодняшний день компания Wolfspeed освоила выпуск шестого поколения 650-вольтовых диодов (C6D) с наименьшим в своем классе прямым напряжением, равным всего 1,27 В (при 25°C). Это позволяет увеличить КПД преобразователей даже простой заменой этими приборами диодов предыдущих поколений, не говоря уже о традиционных кремниевых диодах с p-n-переходом (рисунок 15).
Рис. 15. Вольтамперные характеристики диодов Wolfspeed 3-го и 6-го поколений
Влияние корпуса транзистора на величину КПД
Уровень потерь в транзисторах напрямую зависит от скорости их переключения. Карбид-кремниевые транзисторы имеют прекрасные динамические характеристики, однако особенности их корпусов могут не позволить полноценно использовать все их преимущества. Особое влияние на скорость переключения оказывает паразитная индуктивность вывода истока, наличие которой снижает общую скорость перезаряда емкости затвора и, как следствие, увеличивает время переключения MOSFET (рисунок 16).
Рис. 16. Особенности работы MOSFET в корпусах ТО-247 с тремя и четырьмя выводами
В этом случае лучше использовать транзисторы, выпускаемые в корпусах с отдельным выводом для подключения драйвера (выводом Кельвина), подключенного напрямую к кристаллу в обход силового вывода истока. Это позволяет исключить из цепи протекания тока управления паразитную индуктивность цепей истока и, как следствие, увеличить скорость переключения.
Компания Wolfspeed выпускает карбид-кремниевые MOSFET в специализированных корпусах ТО-247-4 и ТО-263-7, имеющих отдельный вывод для подключения драйвера к истоку. Результаты исследований потерь в этих приборах показывают, что при одинаковых значениях напряжения питания и коммутируемого тока использование вывода Кельвина позволяет ощутимо уменьшить уровень потерь и, как следствие, повысить общий КПД преобразователя (рисунок 17).
Рис. 17. Зависимости потерь в силовых MOSFET, изготовленных в разных корпусах
Демонстрационная плата CRD-02AD065N
Как видно из предыдущего материала, разработка источника питания, соответствующего современным требованиям к энергетической эффективности, требует глубокого понимания всех тонкостей работы ККМ. Для облегчения этого процесса и ускорения продвижения своих продуктов на рынке компания Wolfspeed предлагает своим клиентам ряд опорных проектов, одним из которых является корректор коэффициента мощности CRD-02AD065N (рисунок 18).
Рис. 18. Внешний вид платы CRD-02AD065N
Опорный проект CRD-02AD065N реализован на компактной четырехслойной печатной плате, содержащей все необходимые компоненты, в том числе два дополнительных модуля: схемы управления и вспомогательного источника питания. Силовая часть ККМ собрана по схеме тотемного моста (рисунок 5). В качестве неуправляемых ключей были использованы диоды STTH30L06C в корпусе D2PAK производства компании STMicroelectronics, а в качестве управляемых – 650-вольтовые карбид-кремниевые MOSFET C3M0065065 с сопротивлением канала 65 мОм, производимые компанией Wolfspeed. Существуют три версии плат, отличающиеся типом корпусов транзисторов: TO-247-3 (C3M0065065D), TO-247-4 (C3M0065065K) и TO-263-7 (C3M0065065J). Силовая часть ККМ рассчитана на работу в условиях принудительного охлаждения с помощью вентилятора, установленного непосредственно на плате. Для улучшения отвода тепла от силовых компонентов были использованы радиаторы, припаянные непосредственно к корпусам приборов.
Опорный проект CRD-02AD065N предназначен для разработки компьютерных и телекоммуникационных источников питания мощностью до 2 кВт (таблица 3), энергоэффективность которых может соответствовать стандарту 80 PLUS Titanium. Ключевой особенностью данной платы является ориентация на массовое серийное производство и минимизацию себестоимости. Именно поэтому в качестве неуправляемых ключей были использованы ультрабыстрые кремниевые диоды общего назначения. Тем не менее, даже при таком подходе КПД этого ККМ не опускается ниже 98,2% при коэффициенте нелинейных искажений входного тока меньше 4%.
Таблица 3. Основные характеристики платы CRD-02AD065N
| Входное напряжение | 180…264 В |
|---|---|
| Частота сети | 47…63 Гц |
| Выходное напряжение | 385 В ± 5% |
| Выходная мощность при входном напряжении 230 В | 2200 Вт |
| Выходная мощность при входном напряжении 180 В (ограничена разъемами) | 1500 Вт |
| Коэффициент мощности | > 0,98 |
| Коэффициент нелинейных искажений | < 5% |
| Частота переключений | 64 кГц |
| КПД при 50% нагрузке | > 98,5% |
| Максимальная температура окружающей среды | 50⁰С |
Результаты тестирования показывают, что КПД ККМ зависит от типа корпусов транзисторов (рисунок 19). Наилучшие результаты обеспечиваются при использовании специализированных корпусов TO-263-7, предназначенных для SMT-монтажа. Очевидно, что меньший уровень потерь должен положительно сказаться и на уровне перегрева, что и подтверждается термографическими исследованиями (рисунок 20). Как видно из фотографий, максимальная температура радиаторов транзисторов в корпусах TO-263-7 не превышает 65°С, в то время как у радиаторов приборов в стандартных корпусах TO-247-3 она достигает 80°С.
Рис. 19. Результаты тестирования КПД платы CRD-02AD065N
Рис. 20. Термограммы платы CRD-02AD065N
Заключение
Требования к энергоэффективности электронного оборудования уже сейчас являются достаточно высокими, а со временем они, с большой вероятностью, будут ужесточаться, не оставляя устаревшим решениям шанса на дальнейшее практическое использование. Это открывает новой элементной базе широкие перспективы, ведь карбид-кремниевые полупроводниковые приборы позволяют реализовать высокий уровень КПД и коэффициента мощности без ухудшения других ключевых характеристик преобразователей, в первую очередь, размеров и стоимости. Однако внедрение любой новой технологии может затянуться во времени из-за отсутствия необходимых инструментов, поэтому наличие у компании Wolfspeed аппаратных и программных средств, позволяющих решить практически любую задачу, является важным фактором при создании источников питания нового поколения.
