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为何一个小改变就可以让电源的整体系统效率提升至98%?

荷叶塘 来源:电子发烧友 作者:程文智 2020-05-02 09:32 次阅读

任何电子产品都离不开电源,随着各个国家和地区能源标准的提升和用户环保意识的增强,对电源效率的要求越来越高。产业链内的公司和工程师们为了提升电源效率,减少能源浪费也是较劲了脑汁。
 
最近,英飞凌分享了一个可以让电源的整体系统效率提升至98%的案例,引起了<电子发烧友>的注意。据英飞凌电源管理及多元化市场事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源介绍说,目前在大型数据中心,标准的功率密度大概是平均每个机架3kW,而且现在系统厂商普遍要求,在保证系统稳定度的前提下,整体系统的效率要超过96%,越高越高。因为数据中心散热也是一笔不小的开支,而效率的提升可以降低散热的成本。
 


图1:英飞凌3300W图腾柱PFC电源演示板。(来源:英飞凌)

 
英飞凌这个针对数据中心的电源解决方案实现了98%的整体系统效率,陈清源表示,这主要是因为使用了英飞凌新近推出的650V CoolSiC MOSFET和专用的单通道和双通道电气隔离EiceDRIVE栅极驱动电路IC。
 

 
图2:英飞凌电源管理及多元化市场事业部大中华区开关电源应用高级市场经理陈清源。

 
具体的方案框架如图3所示,上图采用的是PFC图腾柱,LLC是一个软开关。图腾柱部分使用的是SiC。如果只需要满足96%的效率,在LLC上可以选用硅芯片,这样成本可以做到最优。由于PFC的效率可以达到99%,使用了硅基芯片的LLC的效率可以达到97%,整体效率能够满足96%的需求。
 
而如果将LLC也换成SiC器件的话,它的效率也可以达到99%,这样整个系统的效率就会达到98%。
 


图3:英飞凌的高效率电源解决方案。(来源:英飞凌)

 
陈清源承认,98%是一个比较极限的值,要想达到这个效率,需要使用到650V CoolSiC MOSFET和与之配套的EiceDRIVE栅极驱动电路IC,如果使用其他杉机驱动IC,可能系统效率就达不到98%了。
 

为何英飞凌的这两颗芯片可以做到?

 
陈清源解释说,这是因为碳化硅的驱动方式与传统硅器件的驱动方式是不一样的,而EiceDRIVE栅极驱动电路IC是专门针对英飞凌碳化硅器件而设计的,搭配使用可以达到更好的效果,更高的稳定度。
 
650V CoolSiC MOSFET是英飞凌在今年2月份推出的碳化硅系列产品,该系列目前有8个不同的产品,采用两种插件TO-247封装:一种是典型的TO-247 3引脚封装,另一种是支持开关损耗更低的TO-247 4引脚封装。
 


图4:英飞凌650V CoolSiC MOSFET。

 
新发布的这8个产品主要针对工业电源、光伏、充电桩、不间断电源系统、以及能源储存等应用场景。不过,陈清源指出,未来英飞凌陆续会推出更多的封装来应对不同的市场应用,他预计会推出50个以上的产品。
 
他同时强调,英飞凌在碳化硅产品的可靠性方面做了很多工作,比如增加坚固耐用度;优化在栅极氧化层的可靠度;为了防止误导通,VGS重新设计在大于4V上;在一些特殊的拓扑,例如CCM图腾柱的拓扑加入了硬换相的体二极管等等。
 
在易用性方面,放宽了VGS的电压范围,在0V电压可以关断VGS,不需要跟氮化镓一样做一个负电压。
 


图5:沟槽式与平面式MOSFET的可靠性和性能对比。(来源:英飞凌)

 
在陈清源看来,栅极氧化层是设计上的一大难点,因为它会影响产品的可靠度。
 
目前在碳化硅的工艺上面、前端的工艺,主要有两个主流:一个是平面式,一个是沟槽式,英飞凌采取的是沟槽式,“因为我们沟槽式的经验来自于CoolMOS这十几二十年的工作经验,我们得到了很多的专业技术。也就是我们在用沟槽式的设计可以达到性能的要求,而不会偏离它的可靠度。就以碳化硅MOS为例,可能在同样的可靠度上面,碳化硅沟槽式的设计会远比平面式的碳化硅MOS拥有更高的性能。”他表示。


图6:Qrr和Qoss。

 
对于硬换向的拓扑, Qrr和Qoss是两个很重要的参数。英飞凌的CoolMOS一个系列有快速二极管在里面。但是事实上这个系列是为了硬换向的拓扑,有了碳化硅之后,这个碳化硅因为物理特性、产品的特性,事实上它在的Qrr是远低于硅器件的体二极管。
 
再看Qoss,事实上这个参数也更低。所以说这个部分很适合在硬换向的拓扑可以达到更高的效率、更好的设计。当然其它竞品、其它供应商,他们也有碳化硅和MOSFET,他们也会涉及到这两个参数RDS(on)*Qrr, RDS(on)*Qoss。从各个供应商来看,“事实上它的参数的值都比英飞凌要高,表示这个技术上面我们还是取得不错的领先跟主导。甚至有一些供应商,它有一些参数是不标的,RDS(on)*Qrr 、 RDS(on)*Qoss是不标的,不标对工程师在设计上造成蛮大的困难,我们也跟业界的领导厂商也有很多讨论,他们也针对这些参数也跟我们讨论了很多。他们也很感谢,说英飞凌把整个规格书写的很清楚。我们有控制、有规范。”陈清源自豪地表示。
 
他还举了一个实例来说明碳化硅器件的好处。使用了碳化硅的图腾柱PFC设计可以得到很高的效率。


图7:英飞凌的图腾柱PFC解决方案。

 
“刚刚我提到我们有四个RDS(on),这边我们挑了48 mΩ、72 mΩ、107 mΩ在这个图腾柱的设计,搭配英飞凌CFD7的一个S7系列,在图腾柱拓扑的设计。我们用了48 mΩ,事实上它的效率可以在PFC达到 99%。”陈清源表示。
 
在以前,以硅的技术,事实上是很不容易做到。不能说:“不可能做到。”但是是很不容易做到,有这个好的器件事实上让工程师节省了很多的精力。
 
而配合英飞凌的驱动IC,事实上可以让整个性能更加的优化,以及说它设计的稳定度更好。当然如果有的客户基于成本的考量,他不需要到99%,到97%、96%就可以了,“至少我们还有其它的选项,像72 mΩ、107 mΩ,事实上它的效率在重载的时候效率就比较低了,因为它的导通静态程式就比较多。”
 
“这是一个很好的例子,就是说,以前做不到的,还是以前很不容易做到的,借由器件的优化、器件的突破,可以做到一个99%,接近零耗损的一个PFC。”陈清源说。

 
碳化硅市场的机遇

 
根据今年IHS的预估,今年碳化硅市场会有近5000万美元的市场份额。再往后到2028年,市场份额会达到1亿6000万美元。目前,碳化硅主要应用是电源供应器、不间断电源、电动汽车充电、马达驱动还有光伏跟储能的部分。其中,最大的部分来自电源。


图8:650V SiC MOSFET的市场和应用。

 
 
更为重要的是,碳化硅市场的年复合增长率是16%,这个数字相当有吸引力,从而吸引了很多竞争者进入这个市场。
 

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NLSX4378A 电平转换器 4位 24 Mbps 双电源

78A是一款4位可配置双电源双向自动感应转换器,不需要方向控制引脚。 V CC I / O和V L I / O端口设计用于跟踪两个不同的电源轨,V CC 和V L 。 V CC 电源轨可配置为1.65V至5.5V,而V L 电源轨可配置为1.65V至5.5V。这允许V L 侧的电压逻辑信号在V CC 侧转换为更低,更高或相等值的电压逻辑信号,反之亦然。 NLSX4378A转换器在I / O线上集成了10K欧姆上拉电阻。集成的上拉电阻用于将I / O线上拉至V L 或V CC 。 NLSX4378非常适合开漏应用,例如I 2 C通信总线。 特性 优势 宽VCC工作范围:1.65V至5.5V 宽VL工作范围:1.65V至5.5V 允许连接多个电压系统 高速,24 Mb / s保证数据速率 最大限度地减少系统延迟 低位偏移 适合差异信号传输 小型包装 - 2.02 x 1.54mm uBump12 节省物理空间解决方案 应用 终端产 I2C,SMBus,PMBus 低压ASIC级别转换 手机,PDA,相机 电路图、引脚图和封装图...
发表于 08-03 04:02 121次 阅读
NLSX4378A 电平转换器 4位 24 Mbps 双电源

NLSX4401DFT2G 1位20 Mb / s双电源电平转换器

01是一款1位可配置双电源双向自适应传感转换器,不需要方向控制引脚.I / O VCC和I / O VL端口分别用于跟踪两个不同的电源轨,VCC和VL 。 VCC和VLsupply轨道均可配置为1.5 V至5.5 V.这样,VL侧的电压逻辑信号可在VCC侧转换为更低,更高的等值电压逻辑信号,反之亦然.NLSX4401转换器已集成I / O线上有10 k上拉电阻。集成的上拉电阻用于将I / O线上拉至VL或VCC。 NLSX4401非常适合开放式应用,如I2C通信总线。 特性 VL可以小于,大于或等于VCC 宽VCC工作范围:1.5 V至5.5 V 宽VL工作范围:1.5 V至5.5 V 高速,24 Mb / s保证日期速率 低位偏斜 启用输入和I / O引脚是过压容差(OVT)以使能输入和I / O引脚是过压容差(OVT)至5.5 V 非优先通电排序 断电保护 应用 终端产品 I2C,SMBus,PMBus 低压ASIC级别转换 手机,相机,消费品 电路图、引脚图和封装图...
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NLSX4401DFT2G 1位20 Mb / s双电源电平转换器

NLU1GT125 单个非反相缓冲器 3态

125 MiniGate™是一款先进的CMOS高速非反相缓冲器,占用空间极小。 NLU1GT125要求将3状态控制输入()设置为高,以将输出置于高阻态。器件输入与TTL型输入阈值兼容,输出具有完整的5.0 V CMOS电平输出摆幅。无论电源电压如何,当施加高达7.0伏的电压时,NLU1GT125输入和输出结构都能提供保护。 特性 高速:t PD = 3.8 ns(典型值)V CC = 5.0 V 低功耗:I CC =1μA(Max),TA = 25°C TTL兼容输入:V IL = 0.8 V; V IH = 2.0 V 输入时提供断电保护 平衡传播延迟 超小无铅封装 应用 ASIC FixesSimplified PCB RoutingGlue LogicSystem IntegrationVoltage Translation 电路图、引脚图和封装图...
发表于 08-01 17:02 30次 阅读
NLU1GT125 单个非反相缓冲器 3态

FSA839 低压 带关断隔功能的0.8Ω单刀双掷(SPDT)模拟开关

是高性能的单刀双掷(SPDT)模拟开关,用于由低电压(1.8V)基带处理器或ASIC驱动的音频应用。该器件在V CC = 4.5 V时具有0.8Ω(最大值)的超低R ON ,可在1.65V到5.5V的宽V CC 范围内工作。该器件采用亚微米CMOS FSA839在低电压ASIC和常规的音频放大器之间连接,CODEC在高达5.5V的工作电压范围内运行。控制电路允许控制引脚(Sel)上提供1.8V(典型值)信号。 应用 多媒体平板电脑 存储和外设 手机 WLAN网卡和宽带接入 PMP / MP3播放器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 08-01 01:02 39次 阅读
FSA839 低压 带关断隔功能的0.8Ω单刀双掷(SPDT)模拟开关

NXH240B120H3Q1 功率集成模块(PIM)3通道1200 V IGBT + SiC升压 80 A IGBT和20 A SiC二极管

B120H3Q1PG是一款3通道1200 V IGBT + SiC Boost模块。每个通道包括一个快速开关80 A IGBT,一个20 A SiC二极管,一个旁路二极管和一个IGBT保护二极管。该模块具有内置热敏电阻并具有压配销。 特性 优势 1200 V快速开关IGBT 降低IGBT的开关损耗可实现更高的fsw和更紧凑的设计 1200 SiC二极管 降低二极管的开关损耗可实现更高的fsw和更紧凑的设计 低Vf旁路二极管 提高旁路模式的效率 压合销 无焊接安装 应用 终端产品 太阳能逆变器升压阶段 分散式公用事业规模太阳能逆变器 商业串式逆变器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-31 08:02 49次 阅读
NXH240B120H3Q1 功率集成模块(PIM)3通道1200 V IGBT + SiC升压 80 A IGBT和20 A SiC二极管

NXH80B120H2Q0 功率集成模块 双升压 1200 V 40 A IGBT + 1200 V 15 A SiC二极管

120H2Q0SG是一款功率集成模块(PIM),包含一个双升压级,由两个40A / 1200V IGBT,两个15A / 1200V SiC二极管和两个用于IGBT的25A / 1600V反并联二极管组成。另外还包括两个用于浪涌电流限制的25A / 1600V旁路整流器。包括一个板载热敏电阻。 特性 优势 IGBT规格:VCE(SAT)= 2.2 V,ESW = 2180 uJ 具有低VCE(SAT)的快速IGBT以实现高效率 25 A / 1600 V旁路和反并联二极管 低VF旁路二极管,在旁路模式下具有出色的效率 SiC整流器规格:VF = 1.4 V 用于高速切换的SiC二极管 可焊接引脚 轻松安装 双升压40 A / 1200 V IGBT + SiC整流器混合模块 热敏电阻 应用 终端产品 太阳能逆变器升压阶段 太阳能逆变器 UPS 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-31 08:02 38次 阅读
NXH80B120H2Q0 功率集成模块 双升压 1200 V 40 A IGBT + 1200 V 15 A SiC二极管

NXH100B120H3Q0 功率集成模块 双升压 1200 V 50 A IGBT + 1200 V 20 A SiC二极管

B120H3Q0是一款功率集成模块(PIM),包含一个双升压级,由两个50A / 1200V IGBT,两个20A / 1200V SiC二极管和两个用于IGBT的25A / 1600V反并联二极管组成。另外还包括两个用于浪涌电流限制的25A / 1600V旁路整流器。包括一个板载热敏电阻。 特性 优势 IGBT规格:VCE(SAT)= 1.77 V,ESW = 2200 uJ 具有低VCE(SAT)的快速IGBT以实现高效率 25 A / 1600 V旁路和反并联二极管 低VF旁路二极管,在旁路模式下具有出色的效率 SiC整流器规格:VF = 1.44 V 用于高速开关的SiC二极管 焊针和压合销选项 灵活安装 应用 终端产品 MPPT提升阶段 Bat tery Charger Boost Stage 太阳能逆变器 储能系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-31 07:02 26次 阅读
NXH100B120H3Q0 功率集成模块 双升压 1200 V 50 A IGBT + 1200 V 20 A SiC二极管

FPF2G120BF07AS 具有NTC的F2,3ch升压模块

一种快速,可靠的的安装方式。 特性 高效率 低传导损耗和开关损耗 高速场截止IGBT SiC SBD用作升压二极管 内置NTC可实现温度监控 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-31 04:02 62次 阅读
FPF2G120BF07AS 具有NTC的F2,3ch升压模块

NCP566 LDO稳压器 1.5 A 超高PSRR 具有快速瞬态响应

低压差(LDO)线性稳压器将在固定输出电压下提供1.5 A电流。快速环路响应和低压差使该稳压器非常适用于低电压和良好负载瞬态响应非常重要的应用。器件保护包括电流限制,短路保护和热关断。 NCP566采用SOT-223封装。 特性 超快速瞬态响应(
发表于 07-30 08:02 30次 阅读
NCP566 LDO稳压器 1.5 A 超高PSRR 具有快速瞬态响应

NCP3284 4.5V至18V 30A高效率 DC / DC转换器 采用耐热增强型5mm x 6mm封装

4是一款30A POL,适用于在小型电路板占板面积内要求高效率的应用。该器件将DC / DC控制器与两个高效mosfet集成在一个采用热增强型5mm x 6mm QFN封装的信号中。它采用获得专利的增强型斜坡脉冲调制控制架构,可提供超快的负载瞬变,从而减少外部电容和/或提供更好的瞬态容差。与传统的恒定时间控制器相比,新架构还改进了负载调节。 特性 优势 效率高 减少电力损失 快速装载瞬态 减少输出电容的数量 频率选择 优化效率和输出滤波器尺寸的权衡 0.6%准确参考 允许非常精确的输出电压 远程感知 提供准确的输出电压 启用输入和电力良好指标 二手用于控制排序 可调节电流限制 低电流设计的灵活性 可调节软启动 允许控制开启坡道 热增强型QFN封装 改善散热 指定-40C至125C 应用 终端产品 服务器 网络 电信 ASICs servere 存储 网络 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 04:02 179次 阅读
NCP3284 4.5V至18V 30A高效率 DC / DC转换器 采用耐热增强型5mm x 6mm封装

NCP3233 降压转换器工作电压范围为3V至21V 最高可达20A

3是一款20A降压转换器(内置MOSFET),工作电压范围为3V至21V,无需外部偏置。该固定式变频器具有高效率,可调节输出以提供低至0.6V的电压。可调电流限制允许器件用于多个电流水平。该器件采用耐热增强型6mm x 6mm QFN封装,高效电压模式同步降压转换器,工作电压为3 V至21 V,输出电压低至0.6 V,最高25 A DC负载或30 A瞬时负载。 特性 优势 宽输入电压范围为3V至21V 允许同一器件用于3.3V,5V和12V母线 300kHz,500kHz和1MHz开关频率 用户可选择的选项,允许在效率和解决方案尺寸之间进行优化权衡 无损耗低侧FET电流检测 提高效率 0.6V内部参考电压 低压输出以适应低压核心 外部可编程软启动 降低浪涌电流并防止启动时出现无根据的过电流 预偏置启动 防止反向电流流动 所有故障的打嗝模式操作 如果故障情况消除,则允许重新启动 可调输出电压 灵活性 可调节电流限制 优化过流条件。允许较低饱和电流的较小电感器用于较低电流应用 输出过压保护和欠压电压保护 应用 终端产品 高电流POL应用 AS...
发表于 07-30 04:02 174次 阅读
NCP3233 降压转换器工作电压范围为3V至21V 最高可达20A

NCP3231A 高电流同步降压转换器

1A是一款高电流,高效率电压模式同步降压转换器,工作电压为4.5 V至18 V,输出电压低至0.6 V,最高可达25 A. 特性 优势 宽输入电压范围4.5V至18V 支持广泛的应用 500KHz开关频率 需要小电感和少量输出电容 无损耗低端FET电流检测 良好的散热性能 0.6V内部参考电压 外部可编程软启动 输出o电压和欠压保护 使用热敏电阻或传感器通过OTS引脚进行系统过热保护 所有故障的打嗝模式操作 预偏置启动 可调节输出电压 电源良好指示灯 内部过热保护 应用 终端产品 采用6x6 QFN封装的25A稳压器 ASIC,FPGA,DSP和CPU内核及I / O电源 移动电话基站 电信和网络设备 服务器和存储系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 04:02 103次 阅读
NCP3231A 高电流同步降压转换器

NCP3231B 高电流 1MHz 同步降压转换器

1B是一款高电流,高效率电压模式同步降压转换器,工作电压为4.5 V至18 V,输出电压低至0.6 V,最高可达25 A. 特性 优势 宽输入电压范围4.5V至18V 支持广泛的应用 1MHz开关频率 需要小电感和少量输出电容 无损耗低端FET电流检测 良好的散热性能 0.6V内部参考电压 外部可编程软启动 输出ove r电压和欠压保护 使用热敏电阻或传感器通过OTS引脚进行系统过热保护 所有故障的打嗝模式操作 预偏置启动 可调节输出电压 电源良好指示灯 内部过热保护 应用 终端产品 采用6x6 QFN封装的25A稳压器 ASIC,FPGA,DSP和CPU内核及I / O电源 移动电话基站 电信和网络设备 服务器和存储系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 04:02 83次 阅读
NCP3231B 高电流 1MHz 同步降压转换器

NCP3231 高电流同步降压转换器

1是一款高电流,高效率电压模式同步降压转换器,工作电压为4.5 V至18 V,输出电压低至0.6 V,最高25 A DC负载或30 A瞬时负载。 特性 优势 宽输入电压范围4.5V至18V 支持广泛的应用 500KHz开关频率 需要小电感和少量输出电容 无损耗低 - 侧FET电流检测 提高效率 0.6V内部参考电压 外部可编程软启动 输出过压保护和欠压保护 使用热敏电阻或传感器进行系统过热保护 所有故障的打嗝模式操作 预偏置启动 可调节输出电压 电力良好输出 内部过热保护 应用 终端产品 采用6x6 QFN封装的25A稳压器 ASIC,FPGA,DSP和CPU内核及I / O电源 移动电话基站 电信和网络设备 服务器和存储系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 03:02 104次 阅读
NCP3231 高电流同步降压转换器

NCP1592 同步降压稳压器 PWM 6.0 A 集成FET

2是一款低输入电压,6 A同步降压转换器,集成了30mΩ高侧和低侧MOSFET。 NCP1592专为空间敏感和高效应用而设计。主要特性包括:高性能电压误差放大器,欠压锁定电路,防止启动直到输入电压达到3 V,内部或外部可编程软启动电路,以限制浪涌电流,以及电源良好的输出监控信号。 NCP1592采用耐热增强型28引脚TSSOP封装。 特性 30mΩ,12 A峰值MOSFET开关,可在6 A连续输出源或接收器处实现高效率电流 可调节输出电压低至0.891 V,准确度为1.0% 宽PWM频率:固定350 kHz,550 kHz或可调280 kHz至700 kHz 应用 终端产品 低压,高密度分布式电源系统 FPGA 微处理器 ASICs 便携式计算机/笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 03:02 79次 阅读
NCP1592 同步降压稳压器 PWM 6.0 A 集成FET

NCP3230 DC / DC转换器 4.5 V至18 V 30 A.

C转换器采用耐热增强型6mm x 6mm QFN封装,可提供高达30 A的电流。 特性 优势 效率高 降低功耗并减少散热问题 4.5 V至18 V输入范围 允许使用5 V或12 V母线进行操作 综合mosfets 简化设计并提高可靠性 可调节软启动时序,输出电压 设计灵活性 过压,欠压和过流保护 安全启动到预偏置输出 应用 终端产品 高电流POL应用 为asics,fpga和DSP供电 基站 服务器和存储 网络 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 03:02 58次 阅读
NCP3230 DC / DC转换器 4.5 V至18 V 30 A.

NCP3235 4.5 V至21 V 集成MOSFET的DC / DC转换器

5是一款带内部MOSFET的15 A DC / DC转换器,设计灵活。该器件可提供低至0.6V至输入电压80%以上的可调输出电压。功能包括可调电流限制,输出电压和软启动时序。引脚可选功能可实现550 kHz或1 MHz的开关频率,选择DCM / CCM工作模式,以及在过流期间锁定或打嗝模式的能力。该器件可配置为在超声模式下工作,以避开音频带。该器件采用耐热增强型6mm x 6mm TQFN封装。 特性 优势 准确0.6 V参考 可调输出以设置所需电压低至0.6 V DCM / CCM可选择选项 在不连续模式下操作以在轻负载下提高效率 550kHz / 1.1MHz开关频率 选择更高效率或更小输出滤波器的设计灵活性 超声波模式 保持电容器不发出声音 热增强型QFN封装 3个裸露焊盘散布更高 4.5 V至21 V的宽工作范围 允许跨多个应用程序使用 可调软启动 允许在通电期间平稳上升 应用 终端产品 计算/服务器 数据通信/网络 FGPA,ASIC,DSP电源 12 V负载点 桌面 服务器 网络 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 03:02 51次 阅读
NCP3235 4.5 V至21 V 集成MOSFET的DC / DC转换器
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